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Anwendung eines hierarchischen Ansatzes für die gezielte Verdünnung von unter Tage auftretenden schädlichen Gasen

Um die Sicherheit der Belegschaft unter Tage auch beim Auftreten von Gasen und Gasausbrüchen gewährleisten zu können, ist eine zielgerichtete Entwicklung von Bewetterungskonzepten in Hinblick auf eine notwendige Verdünnung schädlicher Gase in Abhängigkeit der auftretenden Gase, Gaskonzentrationen sowie betrieblichen Rahmenbedingungen unerlässlich. Aus diesem Grund wurde ein hierarchischer Ansatz für eine gezielte Verdünnung von auftretenden schädlichen Gasen entwickelt, der die klassische Wetternetzberechnung mit einer numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics – CFD) kombiniert. Das während eines Gasausbruchs aus Luft und Gas bestehende freiwerdende Zwei-Phasen-Gemisch wurde mithilfe einer CFD-Simulation für einen räumlich begrenzten Bereich nachgebildet und dessen Auswirkungen auf das existierende Wetternetz werden analysiert. Auf Grundlage der Simulation können verschiedene Maßnahmen für eine gezielte Verdünnung in Abhängigkeit der Schwere des Gasausbruchs, der geometrischen Randbedingungen, der spezifischen Eigenschaften der auftretenden Gase sowie deren Wechselwirkungen getestet und hinsichtlich ihrer Effektivität bewertet werden. Eine Integration der Ergebnisse aus der Strömungssimulation in das übergeordnete Wetternetzmodell erfolgte mit Hilfe des Wetternetzberechnungsprogramms VentsimTM, das die Entwicklung und Erstellung von schnellen, effektiven und sicheren Bewetterungskonzepten unterstützt.

Autoren:
Dr.-Ing. Elisabeth Clausen und M.Tech. Amit Agasty, Institut für Bergbau, Technische Universität (TU) Clausthal, Clausthal-Zellerfeld

1  Motivation

Ein auf die jeweiligen Betriebsbedingungen abgestimmtes Bewetterungskonzept stellt für einen untertägigen Bergbaubetrieb eine zwingende Voraussetzung für die Gewährleistung eines sicheren Betriebsablaufs dar. Um die Sicherheit der Belegschaft unter Tage auch beim Auftreten von schädlichen Gasen und Gasausbrüchen gewährleisten zu können, ist darüber hinaus eine Entwicklung von Bewetterungskonzepten in Hinblick auf eine notwendige Verdünnung der schädlichen Gase in Abhängigkeit der auftretenden Gase, Gaskonzentrationen sowie betrieblichen Randbedingungen, Querschnittsdimensionierungen und vorhandener Wetterführung unerlässlich. Gase entstehen bzw. werden auf unterschiedliche Art und Weise freigesetzt, sei es z. B. durch die Umsetzung von Sprengstoffen, den Einsatz von Verbrennungsmotoren oder auf Grund von Gasausbrüchen. Auch wenn die meisten Gasausbrüche weltweit auf Grund von auftretendem Methan entstehen, gelten CO2-Ausbrüche als „heftiger, schwieriger kontrollierbar sowie gefährlicher“ (1). Auf Grund von vulkanischen Aktivitäten kann Kohlendioxid, wie am Beispiel der Kalisalzlagerstätten an der Werra, im Kristallgitter der Salze eingeschlossen sein und schlagartig freigesetzt werden (2). Auf Grundlage der angenommenen Ausbruchsmenge kann der Wettermengenbedarf grundsätzlich für eine gezielte Verdünnung der auftretenden Gase bestimmt werden. Für bestimmte kritische Bereiche und Ausbruchsmengen kann darüber hinaus die Notwendigkeit bestehen, weitere Eigenschaften des strömenden Mediums und deren Wechselwirkungen zu berücksichtigen, um eine Ansammlung von Gasen in Senken oder unterhalb der Firste zu verhindern. In Wetternetzberechnungen werden unterschiedliche Annahmen getroffen, wie z. B. eine vollständige Vermischung der Gase. Um ebenfalls die kritischen Bereiche innerhalb des Wetternetzprogramms berücksichtigen zu können, wurde der Ansatz gewählt, die bei einem Gasausbruch auftretende aus einem Luft- sowie Gasanteil bestehende Zwei-Phasen-Strömung für die betrachtete Betriebssituation mit Hilfe einer numerischen Strömungssimulation nachzubilden und das Verhalten sowie die Auswirkungen eines Gasausbruchs auf die bestehende Bewetterungssituation zu analysieren. Auf Grundlage dieser Simulation können in Abhängigkeit der Lagerstättenstruktur sowie Schwere des Gasausbruchs unterschiedliche Maßnahmen für eine Verdünnung der Wetter getestet, in Bezug auf ihre Effektivität bewertet sowie diese daraufhin in das übergeordnete Wetternetzberechnungsprogramm integriert werden.

Im Rahmen des vorliegenden Beitrags wird der entwickelte hierarchische Ansatz mit seinen Teilmodellen vorgestellt sowie auf eine exemplarische Betriebssituation angewendet. In der abschließenden Zusammenfassung wird die Eignung des Konzepts bewertet sowie ein Ausblick auf aktuelle und zukünftige Forschungstätigkeiten gegeben.

2  Methodik

Der entwickelte hierarchische Ansatz besteht aus zwei Ebenen, die entsprechend ihrer Eignung sowohl die übergeordnete wettertechnische Situation als auch für räumlich begrenzte Bereiche komplexe geometrische Strukturen sowie spezifische Eigenschaften der auftretenden Gase berücksichtigen und sich gegenseitig bedingen.

Fig. 1. Hierarchical approach for the dilution of gases. // Bild 1. Hierarchischer Ansatz für die Verdünnung von auftretenden schädlichen Gasen.

Fig. 1. Hierarchical approach for the dilution of gases. // Bild 1. Hierarchischer Ansatz für die Verdünnung von auftretenden schädlichen Gasen.

Die übergeordnete Ebene beinhaltet die Wetternetzberechnung und -analyse mit einer Bestimmung der Volumenstrom- sowie Schadstoffverteilung für das gesamte Wetternetz und berücksichtigt u. a. folgende Aspekte (Bild 1, links):

  • Layout des Grubengebäudes und übergeordnete Bewetterungssituation,
  • Darstellung und Analyse der Schadstoffverteilung innerhalb des Wetternetzes.

Die Wetternetzberechnung berücksichtigt dabei in der Regel zum einen einen durchschnittlichen Verlauf der jeweiligen Strecken, so dass lokal auftretende Senken nur bedingt berücksichtigt werden, sowie zum anderen eine Konzentrationsverteilung der auftretenden Gase unter der Annahme einer vollständigen und gleichmäßigen Vermischung.

Aus diesem Grund wird auf der untergeordneten Ebene eine numerische Strömungssimulation angewendet, mit der dynamische Mehrphasenströmungen bei komplexen geometrischen Strukturen unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften der Gase sowie deren Wechselwirkungen nachgebildet werden können. Die Simulation beruht dabei auf der Diskretisierung der geometrischen Struktur; die Qualität der Ergebnisse wird maßgeblich durch die Spezifikation und Definition der Konvergenz und Rahmenbedingungen beeinflusst. Darüber hinaus eignet sich die Anwendung einer numerischen Strömungssimulation auf Grund der notwendigen Rechenleistung nur für räumlich begrenzte Bereiche und nicht für das gesamte Wetternetz. Folgende Aspekte werden innerhalb der untergeordneten Ebene berücksichtigt (Bild 1, rechts):

  • Schadstoffverteilung unter Berücksichtigung des natürlichen Auftriebs,
  • Nachbildung der Schadstoffverteilung für bestimmte Bereiche unter Berücksichtigung der geometrischen Struktur, des spezifischen Verhaltens der Gase sowie deren gegenseitige Wechselwirkungen und
  • Simulation und Bewertung von Bewetterungskonzepten und -strategien in Hinblick auf eine effiziente Verdünnung der auftretenden Gase für bestimmte Bereiche.

Die iterative Verknüpfung der individuellen Wirkungsweisen der beiden Ebenen innerhalb des hierarchischen Ansatzes gewährleistet eine Kohärenz zwischen den unabhängigen Ergebnissen, so dass

  • die auf der untergeordneten Ebene entwickelten Bewetterungsstrategien innerhalb der übergeordneten Ebene für das gesamte Wetternetz nachgebildet, bewertet und validiert werden können sowie
  • die Auswirkungen von Anpassungen innerhalb des gesamten Wetternetzes nachgebildet sowie in Hinblick auf die Effektivität der Verdünnung, Plausibilität und Realisierbarkeit bewertet werden können.

3  Beschreibung der Teilmodelle

Die Wetternetzberechnung innerhalb der übergeordneten Ebene wurde mit Hilfe der Software VentsimTM der australischen Firma Chasm Consulting durchgeführt. Bei VentsimTM handelt es sich um ein kompressibles Wetternetzberechnungsprogramm für untertägige Bergbaubetriebe für die Modellierung von Wetternetzen sowie Simulation von Strömungsverhältnissen auf Grundlage des iterativen Verfahrens von Hardy-Cross unter Berücksichtigung von Volumenströmen, Drücken, Wärme, Gasen, Finanzdaten, Radon, Grubenbränden sowie einer Vielzahl von weiteren wettertechnischen Daten (3, 4). Für jedes Netz, dessen Struktur über Knoten und Zweige definiert wird und u. a. durch Widerstandswerte, Druckquellen und -senken, Höhen und Temperaturen beschrieben werden kann, ist die Berechnung der Strömungs- und Druckverteilung sowie eine Analyse der Schadstoffverteilung und -ausbreitung möglich. Das Berechnungsverfahren berücksichtigt dabei, entsprechend den gesetzten stoffspezifischen Konstanten, den natürlichen Auftrieb sowie den Einfluss von Temperatur und Druck auf die Dichte und das Volumen des strömenden Gases. Innerhalb des hierarchischen Ansatzes kann so die Ausbreitung der Schadstoffe innerhalb des gesamten Wetternetzes analysiert werden (Bild 2).

Fig. 2. Airflow and contaminant simulation in VentsimTM. // Bild 2. Nachbildung der Volumenstromverteilung und Schadstoffausbreitung in VentsimTM.

Fig. 2. Airflow and contaminant simulation in VentsimTM. // Bild 2. Nachbildung der Volumenstromverteilung und Schadstoffausbreitung in VentsimTM.

Die Analyse der Schadstoffverteilung innerhalb der übergeordneten Ebene wird mit Hilfe des Schadstoffmoduls der Software VentsimTM durchgeführt, mit dem die Verteilung von Schadstoffen allgemein, beispielsweise Gase, Staub und Rauch, innerhalb des Bergwerks nachgebildet werden kann. Da diese Simulationsmethode eine vollständige Vermischung der Gase an Knotenpunkten sowie eine lineare Verteilung innerhalb der Strecken annimmt, eignet sich die Anwendung zumeist nur für eine durchschnittliche Betrachtung auf einem erhöhten Abstraktionsniveau.

Das Schadstoffmodul beinhaltet grundsätzlich zwei Möglichkeiten für die Simulation der Schadstoffverteilung innerhalb des Grubengebäudes: eine statische und eine dynamische Betrachtung, die sich in erster Linie in der Darstellung der Ergebnisse unterscheiden. Bei der statischen Betrachtung lässt sich nur eine gleichgewichtete Verteilung, bei der dynamischen Betrachtung hingegen der Verteilungsvorgang über die Zeit darstellen.

Die Berücksichtigung einer Gasquelle erfolgt über eine Änderung der Zweigeigenschaften, indem eine Ausgangskonzentration für das Auftreten eines bestimmten Gases vorgegeben wird. Neben einer Berücksichtigung der auftretenden Gase auf Grundlage der Ausgangskonzentration kann ebenfalls ein zeitabhängiger Zustrom definiert werden.

Die numerische Strömungssimulation für die dreidimensionale dynamische Mehrphasenströmung wurde mit Hilfe der CFD-Software ANSYS durchgeführt. Bei ANSYS CFD handelt es sich um eine Softwareanwendung für die Berechnung und Analyse von Strömungsproblemen auf Grundlage von numerischen Lösungsverfahren und Algorithmen (5). Innerhalb des ANSYS CFD codes werden Strömungsprobleme auf der Grundlage von Navier-Stokes-Gleichungen unter Anwendung zusätzlicher Vereinfachungen und Definition von Randbedingungen gelöst. Der Strömungsbereich als solcher wird hierfür in kleinere Volumeneinheiten unterteilt und die Strömungsgleichungen werden iterativ für jede einzelne Volumeneinheit gelöst. Durch die Definition von zusätzlichen Gleichungen können im Zusammenhang mit durchschnittlichen Navier-Stokes-Gleichungen turbulente Strömungsverhältnisse berücksichtigt werden. Innerhalb der CFD-Simulation können sowohl mehrere Phasen als auch Komponenten betrachtet werden; die Berechnung der Verteilung erfolgt unter Berücksichtigung des natürlichen Auftriebs sowie der induzierten Strömungen. Die Strömungssimulation kann zeitabhängig sowohl für gleichmäßige als auch ungleichmäßige geometrische Strukturen angewendet werden. Grundsätzlich können dabei in Abhängigkeit der Struktur der Phasen zwei Prinzipien für die Lösung von Mehrphasenströmungen angewendet werden: bei feinstverteilten Partikeln in einem gleichmäßigen Medium der Lagrange-Ansatz sowie bei kontinuierlichen Mehrphasenströmungen der Euler-Ansatz (6).

Innerhalb des hierarchischen Ansatzes wird die CFD-Simulation für die Nachbildung von komplexen geometrischen Strukturen und Strömungsverhältnissen verwendet. Hierfür wird eine transiente Mehrphasen Euler-Strömungssimulation auf Grund-lage der Eingangsgrößen aus der übergeordneten Ebene, mit denen die Ausbruchsmenge und der Volumenstrom innerhalb des betrachteten Bereichs bestimmt werden können, durchgeführt. Mit Hilfe der Strömungssimulation lassen sich so unterschiedliche Bewetterungsstrategien in Hinblick auf die Effektivität testen und bewerten.

4  Exemplarische Betriebssituation

Fig. 3. Ventilation network for the example situation. // Bild 3. Wetternetzmodell für die exemplarische Betriebssituation.

Fig. 3. Ventilation network for the example situation. // Bild 3. Wetternetzmodell für die exemplarische Betriebssituation.

Die Darstellung der Anwendung und Wirkungsweise des hie-rarchischen Ansatzes erfolgt an Hand einer exemplarischen Betriebssituation (Bild 3). Die exemplarische Betriebssituation besteht aus zwei Schächten, einem ein- und einem ausziehenden Wetterschacht, sowie mehreren Abbau- und Vorrichtungsbetrieben auf zwei Sohlen. Die Haupttätigkeiten konzentrieren sich auf zwei Abbaubetriebe auf der unteren Sohle, die direkt mit den Frischwettern vom einziehenden Schacht versorgt werden; die weiteren Vorrichtungsbetriebe erhalten die Wetter aus den Abwettern der Abbaubetriebe. Es handelt sich um eine saugende Bewetterung mit einem installierten Lüfter am ausziehenden Schacht; die Anbindung des ausziehenden Schachts an das Grubengebäude erfolgt über einen Querschlag auf der unteren Sohle mit einer Verbindung zur oberen Sohle. Im Regelbetrieb ziehen die Abwetter über diesen Querschlag und die obere Sohle über den ausziehenden Wetterschacht aus.

Fig. 4 Input geometry of the trough structure and meshing for CFD model. // Bild 4. Eingangsgrößen für die Nachbildung der geometrischen Struktur sowie Vernetzung innerhalb des CFD-Modells.

Fig. 4 Input geometry of the trough structure and meshing for CFD model. // Bild 4. Eingangsgrößen für die Nachbildung der geometrischen Struktur sowie Vernetzung innerhalb des CFD-Modells.

Auf Grundlage der Analyse des Wetternetzes können so im Falle eines Gasausbruchs kritische Bereiche in Hinblick auf eine mögliche Ansammlung von Gasen identifiziert und innerhalb der CFD-Simulation nachgebildet werden (Bild 4). Die nachgebildete Geometrie repräsentiert dabei aus rechentechnischen Gründen eine symmetrische Hälfte der originären Verhältnisse. Die Gesamtlänge der betrachteten Strecke beträgt 80 m, die maximale Tiefe der Senke 12 m. Die Geometrie des Strömungsbereichs wird diskretisiert in unstrukturierte tetraedrische Maschen.

Für die Lösung des Strömungsproblems in Form einer Nachbildung von Luft und CO2 innerhalb des Strömungsbereichs sowie die Darstellung der Interaktionen und Impulsübertragung wurde ein Mehrphasen-Euler-Euler-Modell verwendet. Für beide Fluide wurde ein homogenes k-epsilon Turbulenzmodell gewählt; die Berücksichtigung der Impulsübertragung zwischen den Phasen erfolgte mit Hilfe eines Widerstandsbeiwerts. Eine Verdünnung der Gase wird über eine Gasdiffusion realisiert, die innerhalb des CFD-Modells aus den Wechselwirkungen zwischen Körperkräften sowie Zugkräften des Wetterstroms resultiert. Bei einer Änderung der Bewetterungsszenarien können unterschiedliche Zugkräfte nachgebildet und demzufolge das Verdünnungspotential beeinflusst werden. Im vorliegenden Beispiel wurden zwei Szenarien getestet – zum einen eine reguläre Weiterführung der vorliegenden Wetterführung sowie zum anderen die Berücksichtigung eines Zusatzlüfters.

Fig. 5. Boundaries for the CFD model of the geometrical depression – flow domain. // Bild 5. Randbedigungen für die CFD-Modellierung der Senke – Strömungsbereich.

Fig. 5. Boundaries for the CFD model of the geometrical depression – flow domain. // Bild 5. Randbedigungen für die CFD-Modellierung der Senke – Strömungsbereich.

Die definierten Randbedingungen sind in Bild 5 dargestellt. Der Strömungsbereich wird über einen Wetterzustrom, ausgedrückt über die Wettergeschwindigkeit, sowie Abstrom auf Grund von relativen Druckverhältnissen definiert. Der nachgebildete Stoß wird für eine Berücksichtigung der Druckverluste auf Grund von Reibung mit einem Rauigkeitsbeiwert beschrieben. Für die transiente Strömung wird der Strömungsbereich mit einem angenommenen Volumen von 1000 m3 auf der Streckensohle initialisiert.

Fig. 6. Volume fraction contours for gas (a) initial condition; (b) normal flow after 4 minutes; (c) booster dilution after 4 minutes. // Bild 6. Volumenanteil CO2 (a) Ausgangssituation, (b) reguläre Strömungsverhältnisse nach 4 Minuten, (c) Strömungsverhältnisse bei Verwendung eines Zusatzlüfters nach 4 Minuten.

Fig. 6. Volume fraction contours for gas (a) initial condition; (b) normal flow after 4 minutes; (c) booster dilution after 4 minutes. // Bild 6. Volumenanteil CO2 (a) Ausgangssituation, (b) reguläre Strömungsverhältnisse nach 4 Minuten, (c) Strömungsverhältnisse bei Verwendung eines Zusatzlüfters nach 4 Minuten.

Die nachgebildeten Szenarien erlauben ein tiefes Verständnis und den Vergleich der Strömungsverhältnisse innerhalb der Senke bei regulären Bedingungen sowie bei Anwendung eines Zusatzlüfters. In Bild 6 ist der Volumenanteil an CO2 in der Ausgangssituation sowie bei regulären Strömungsverhältnissen und bei Anwendung eines Zusatzlüfters nach einer Verdünnungszeit von vier Minuten dargestellt. Die instationäre Simulation bei regulären Strömungsverhältnissen zeigt deutlich, dass die vorherrschende Wettergeschwindigkeit nicht ausreicht, um das Gas innerhalb der Senke zu verdünnen, wohingegen eine vollständige Verdünnung durch die Anwendung eines Zusatzlüfters nach vier Minuten realisiert werden kann. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse können so im Sinne des hierarchischen Ansatzes an die übergeordnete Ebene weitergegeben werden.

Fig. 7. Ventilation network modified by booster fan installation. // Bild 7. Modifiziertes Wetternetzmodell bei Verwendung eines Zusatzlüfters.

Fig. 7. Ventilation network modified by booster fan installation. // Bild 7. Modifiziertes Wetternetzmodell bei Verwendung eines Zusatzlüfters.

Um die Realisierbarkeit der Vorgaben der untergeordneten Ebene zu überprüfen, erfolgt eine modifizierte Wetternetzberechnung als Rückkopplung zu der übergeordneten Ebene. Die Bilder 7 und 9 zeigen die veränderte Situation innerhalb des Wetternetzmodells in Anlehnung an folgende Szenarien:

  • Installation eines Zusatzlüfters für eine Verbesserung der Verdünnung der auftretenden Gase und
  • Installation eines Zusatzlüfters in Kombination mit Wettertüren.
Fig. 8. Airflow in (a) original case and (b) booster fan scenario. // Bild 8. Volumenstromverteilung im (a) ursprünglichen Fall und bei (b) Verwendung eines Zusatzlüfters.

Fig. 8. Airflow in (a) original case and (b) booster fan scenario. // Bild 8. Volumenstromverteilung im (a) ursprünglichen Fall und bei (b) Verwendung eines Zusatzlüfters.

Wie in der CFD-Simulation gezeigt, führt die Installation eines Zusatzlüfters zwar zu einer effektiven Verdünnung der auftretenden Gase innerhalb des kritischen Bereichs, allerdings innerhalb des gesamten Wetternetzmodells zu einer Umkehr der Wetterführung und damit einhergehender größeren Verteilung und langsameren Verdünnung (Bild 8). Durch die zusätzliche Verwendung von Wettertüren (Bild 9) wird deutlich, dass für die vorliegende exemplarische Betriebssituation so eine schnellere und effektivere Verdünnung innerhalb des gesamten Wetternetzes realisiert werden kann.

Fig. 9. Modified solution for gas dispersion in the mine network. // Bild 9. Modifizierte Gasverteilung innerhalb des Wetternetzmodells bei Verwendung eines Zusatzlüfters sowie von Wettertüren.

Fig. 9. Modified solution for gas dispersion in the mine network. // Bild 9. Modifizierte Gasverteilung innerhalb des Wetternetzmodells bei Verwendung eines Zusatzlüfters sowie von Wettertüren.

Die Anwendung des hierarchischen Ansatzes zeigt für diesen Fall, dass die Installation eines Zusatzlüfters zu einer Verbesserung der Verdünnung innerhalb der Senke führt und bei gleichzeitiger Verwendung von Wettertüren eine direkte und schnellere Abführung der Gase aus dem Bergwerk realisiert werden kann. Durch die Verwendung der Wettertüren können darüber hinaus Kreisläufe und eine damit einhergehende Verlangsamung der Verdünnung vermieden werden.

Zusammenfassend lässt sich für die Verteilung der Aufgaben innerhalb des hierarchischen Ansatzes für die exemplarische Betriebssituation Folgendes festhalten:

  1. i) Übergeordnete Ebene – Wetternetzberechnung: Auf Grundlage der Kenntnis des Layouts der Ausgangssituation sowie der geometrischen Strukturen in Kombination mit einer aggregierten Simulation der Schadstoffverteilung für das gesamte Wetternetz lassen sich kritische Bereiche identifizieren.
  2. ii) Untergeordnete Ebene – CFD Simulation: Die Ergebnisse und Informationen von der übergeordneten Ebene dienen als Eingangsgrößen für die CFD-Simulation. Design eines repräsentativen Modells, Definition der Randbedingungen sowie Durchführung einer Mehrphasen-Strömungssimulation. Modellierung und Bewertung unterschiedlicher Bewetterungsstrategien und Auswahl der geeignetsten Strategie.

iii) Rückkopplung zur übergeordneten Ebene: Auf Grundlage der ausgewählten Bewetterungsstrategie werden unterschiedliche Maßnahmen getestet und in Hinblick auf die Effektivität der Verdünnung, Plausibilität und Realisierbarkeit bewertet. Auswahl einer geeigneten Bewetterungsstrategie für einen spezifischen Anwendungsfall und spezifische Betriebssituation.

5  Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des vorliegenden Beitrags wurde ein hierarchischer Ansatz mit seinen Teilmodellen – Wetternetzberechnung und CFD-Simulation – vorgestellt, der sich grundsätzlich für die Entwicklung von Bewetterungsstrategien beim (unerwarteten) Auftreten von Gasen eignet.

Die Funktionen und Wirkungsweise der Wetternetzberechnung mit Hilfe der Software VentsimTM innerhalb des hierarchischen Ansatzes lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

  • Kompressibles Wetternetzberechnungsprogramm,
  • Möglichkeiten zur Darstellung, Anpassung und Analyse von Wetternetzen,
  • Unterstützung bei der Entwicklung von Bewetterungskonzepten, u. a. auf Grund einer integrierten Plausibilitätsprüfung,
  • Möglichkeit der Nachbildung und Simulation der Verteilung und Ausbreitung von Schadstoffen innerhalb des Wetternetzes,
  • Annahme: Verteilung der Gase mit linearem Geschwindigkeitsverlauf und vollständiger Vermischung an Knotenpunkten,
  • während der Berechnung der Schadstoffverteilung können Anpassungen innerhalb des Wetternetzes vorgenommen und statische sowie dynamische Simulationen durchgeführt werden,
  • Betrachtungsrahmen: gesamtes Wetternetzmodell.

Die Funktionen und Wirkungsweise der numerischen Strömungssimulation mit Hilfe der Software Ansys innerhalb des hierarchischen Ansatzes lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

  • Nachbildung des Strömungsverhaltens eines Luft/Gas-Gemisches nach einem Gasausbruch mit Hilfe einer Zwei-Phasen-Strömungssimulation,
  • Analyse und Bewertung der für eine Verdünnung notwendigen Bewetterungsstrategien,
  • Bestimmung von wettertechnischen Kennwerten, die in die Wetternetzberechnung integriert werden,
  • Betrachtungsrahmen: spezifische, räumlich begrenzte Bereiche.

Es konnte gezeigt werden, dass der hierarchische Ansatz sich grundsätzlich für eine Unterstützung der Entwicklung von Bewetterungskonzepten für die effektive Verdünnung von Gasen nach einem Gasausbruch eignet. Dennoch wird eine erfolgreiche Implementierung und Qualität der Ergebnisse maßgeblich durch die Menge und Qualität der vorhandenen Messdaten und Informationen beeinflusst. Aktuelle Forschungstätigkeiten beschäftigen sich mit einer Erweiterung des Ansatzes in Hinblick auf eine Integration verschiedener, teils dynamisch auftretender Gase für die Entwicklung von bedarfsgerechten Bewetterungskonzepten (Ventilation-on-demand).

References / Quellenverzeichnis

References / Quellenverzeichnis

(1) Lama, R., Saghafi, A.: Overview of Gas Outbursts and Unusual Emissions. Coal Operators Conference, 6 – 8th February 2002, pp. 74 – 88.

(2) Marschall, V.: Schlechte Luft unter Tage? – IPA untersucht Kohlen-dioxidbelastung in Kalibergbau: IPA-Journal 03/2011, S. 26-29.

(3) Chasm Consulting (a), www.ventsim.com, 2016.

(4) Chasm Consulting (b), “Ventsim VisualTM User Guide”, Version 4.0, QLD Australia, 2016.

(5) Ansys Inc. “ANSYS Academic Documentation”, Release 13.0, November 2010.

(6) Höhne, T.: CFD simulations for single and multi-phase flows. FZD Theory Seminar Series, Institute of Safety Research, Dresden-Rossendorf/Deutschland, März 2010 (Präsentation).

Autoren:
Dr.-Ing. Elisabeth Clausen und M.Tech. Amit Agasty, Institut für Bergbau, Technische Universität (TU) Clausthal, Clausthal-Zellerfeld

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