Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ

Мета. Теоретичне та технологічне обґрунтування параметрів і схем формування та використання природнотехногенного теплового й ємнісного ресурсів відпрацьованих вугільних родовищ за допомогою комплексу геомодулів, які забезпечують їхню активізацію, відбір і зберігання синхронно з сезонною нерівномірні...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Садовенко, І., Інкін, О., Загриценко, А.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2016
Назва видання:	Розробка родовищ
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133567
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ / І. Садовенко, О. Інкін, А. Загриценко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 4. — С. 1-10. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-133567
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1335672018-06-02T03:04:19Z Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ Садовенко, І. Інкін, О. Загриценко, А. Мета. Теоретичне та технологічне обґрунтування параметрів і схем формування та використання природнотехногенного теплового й ємнісного ресурсів відпрацьованих вугільних родовищ за допомогою комплексу геомодулів, які забезпечують їхню активізацію, відбір і зберігання синхронно з сезонною нерівномірністю споживання енергоносіїв. Методика. Аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь гідрогазодинаміки та тепломасопереносу; математичне моделювання із застосуванням спеціального програмного забезпечення; методи статистики; стабілометричні випробування зразків водоносних порід на приладі тривісного стиснення. Результати. Розроблений комплекс моделей газодинамічних, фільтраційних і теплових процесів, які протікають у порушеному масиві та обумовлені розробкою його природно-техногенних ресурсів і згортанням гірничих робіт. Досліджено закономірності руху води та газів у слабопроникних вуглевмісних породах, пластахколекторах і затоплених гірничих виробках, які дозволили обґрунтувати технологічні параметри відбору, акумуляції та використання теплоносіїв для тепло- і холодопостачання будівель. Запропоновані й обґрунтовані технологічні варіанти використання теплового ресурсу вод, які знаходяться у затопленій шахті, та його активізацію за рахунок підземного спалювання залишкових запасів вугілля. Наукова новизна. Досліджено механізм теплопереносу в затопленому гірничому масиві ліквідованої шахти, що супроводжується періодичним закачуванням та відбором шахтних вод різних горизонтів, а також їх нагріванням природним геотермічним теплом і підземним спалюванням залишкових запасів вугілля. Практична значимість. Розроблені моделі застосовані на реальних об’єктах у гірничопромислових районах з визначенням діапазонів параметрів гідродинамічного і теплового режимів, в яких створюються умови для відбору та використання енергоносіїв на завершальному етапі відпрацювання вугільних родовищ. На основі моделей та одержаних закономірностей обґрунтовані параметри технологічних схем розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ. Цель. Теоретическое и технологическое обоснование параметров и схем формирования и использования природно-техногенного теплового и емкостного ресурсов отработанных угольных месторождений с помощью комплекса геомодулей, обеспечивающих их активизацию, отбор и хранение синхронно с сезонной неравномерностью потребления энергоносителей. Методика. Аналитические и численные методы решения уравнений гидрогазодинамики и тепломассопереноса; математическое моделирование с применением специального программного обеспечения; методы статистики; стабилометрические испытания образцов водоносных пород на приборе трехосного сжатия. Результаты. Разработан комплекс моделей газодинамических, фильтрационных и тепловых процессов, протекающих в нарушенном массиве и обусловленных разработкой его природно-техногенных ресурсов и сворачиванием горных работ. Исследованы закономерности движения воды и газов в слабопроницаемых углевмещающих породах, пластах-коллекторах и затопленных горных выработках, которые позволили обосновать технологические параметры отбора, аккумуляции и использования теплоносителей для тепло- и холодоснабжения зданий. Предложены и обоснованы технологические варианты использования теплового ресурса вод, находящихся в затопленной шахте, и его активизации за счет подземного сжигания остаточных запасов угля. Научная новизна. Исследован механизм теплопереноса в затопленном горном массиве ликвидированной шахты, сопровождающийся периодической закачкой и отбором шахтных вод различных горизонтов, а также их нагреванием естественным геотермическим теплом и подземным сжиганием остаточных запасов угля. Практическая значимость. Разработанные модели применены на реальных объектах в горнопромышленных районах с определением диапазонов параметров гидродинамического и теплового режимов, в которых создаются условия для отбора и использования энергоносителей на завершающем этапе отработки угольных месторождений. На основе моделей и полученных закономерностей обоснованны параметры технологических схем разработки природно-техногенных ресурсов угольных месторождений. Purpose. Theoretical and technological substantiation of parameters and schemes related to formation and use of natural and man-made volumetric and thermal resources of abandoned coal deposits using complex of geo-modules providing their activation, selection and storage in keeping with uneven seasonal energy consumption. Methods. Analytical and numerical methods for solving equations of hydrogas dynamics and heat- mass transfer; mathematical modeling by means of special software; statistical methods; stabilometrical testing of aqueous rocks samples by triaxial compression tool. Findings. The system of models presenting gas-dynamic, filtration and heat processes occurring in disturbed rocks as a result of natural and man-made resources development while shutting down mining works has been developed. The studied patterns of water and gases movement in low-permeable coal-bearing rocks, reservoir beds and flooded mines allowed to evaluate the technological parameters of extraction, accumulation, and utilization of these heat transfer fluids for heating and cooling of buildings. The paper proposes and justifies technological options serving to utilize the thermal resource of water in a flooded mine and to activate this resource by underground combustion of residual coal reserves. Originality. The mechanism of heat transfer in the flooded rock mass of the abandoned mine with periodic pumping and selection of mine waters from different horizons and their heating by natural geothermal heat and underground combustion of residual coal reserves has been studied. Practical implications. The developed models have been implemented in real mines which allowed to evaluate the ranges of flow and heat transfer parameters related to the conditions for heat transfer fluid extraction and utilization at the final stage of mining. The developed models and obtained dependences allowed to justify the parameters of technological schemata aimed at the development of natural and man-made resources of coal deposits. 2016 Article Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ / І. Садовенко, О. Інкін, А. Загриценко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 4. — С. 1-10. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 2415-3435 DOI: doi.org/10.15407/mining10.04.001 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133567 [622.272.6(477):622.278]:622.691/.692 uk Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Мета. Теоретичне та технологічне обґрунтування параметрів і схем формування та використання природнотехногенного теплового й ємнісного ресурсів відпрацьованих вугільних родовищ за допомогою комплексу геомодулів, які забезпечують їхню активізацію, відбір і зберігання синхронно з сезонною нерівномірністю споживання енергоносіїв. Методика. Аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь гідрогазодинаміки та тепломасопереносу; математичне моделювання із застосуванням спеціального програмного забезпечення; методи статистики; стабілометричні випробування зразків водоносних порід на приладі тривісного стиснення. Результати. Розроблений комплекс моделей газодинамічних, фільтраційних і теплових процесів, які протікають у порушеному масиві та обумовлені розробкою його природно-техногенних ресурсів і згортанням гірничих робіт. Досліджено закономірності руху води та газів у слабопроникних вуглевмісних породах, пластахколекторах і затоплених гірничих виробках, які дозволили обґрунтувати технологічні параметри відбору, акумуляції та використання теплоносіїв для тепло- і холодопостачання будівель. Запропоновані й обґрунтовані технологічні варіанти використання теплового ресурсу вод, які знаходяться у затопленій шахті, та його активізацію за рахунок підземного спалювання залишкових запасів вугілля. Наукова новизна. Досліджено механізм теплопереносу в затопленому гірничому масиві ліквідованої шахти, що супроводжується періодичним закачуванням та відбором шахтних вод різних горизонтів, а також їх нагріванням природним геотермічним теплом і підземним спалюванням залишкових запасів вугілля. Практична значимість. Розроблені моделі застосовані на реальних об’єктах у гірничопромислових районах з визначенням діапазонів параметрів гідродинамічного і теплового режимів, в яких створюються умови для відбору та використання енергоносіїв на завершальному етапі відпрацювання вугільних родовищ. На основі моделей та одержаних закономірностей обґрунтовані параметри технологічних схем розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ.
format	Article
author	Садовенко, І. Інкін, О. Загриценко, А.
spellingShingle	Садовенко, І. Інкін, О. Загриценко, А. Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ Розробка родовищ
author_facet	Садовенко, І. Інкін, О. Загриценко, А.
author_sort	Садовенко, І.
title	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ
title_short	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ
title_full	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ
title_fullStr	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ
title_full_unstemmed	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ
title_sort	теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
publishDate	2016
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133567
citation_txt	Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ / І. Садовенко, О. Інкін, А. Загриценко // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 4. — С. 1-10. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.
series	Розробка родовищ
work_keys_str_mv	AT sadovenkoí teoretičnítageotehnologíčníosnovirozrobkiprirodnotehnogennihresursívvugílʹnihrodoviŝ AT ínkíno teoretičnítageotehnologíčníosnovirozrobkiprirodnotehnogennihresursívvugílʹnihrodoviŝ AT zagricenkoa teoretičnítageotehnologíčníosnovirozrobkiprirodnotehnogennihresursívvugílʹnihrodoviŝ
first_indexed	2025-07-09T19:14:11Z
last_indexed	2025-07-09T19:14:11Z
_version_	1837197903060271104
fulltext	Founded in 1900 National Mining University Mining of Mineral Deposits ISSN 2415-3443 (Online) \| ISSN 2415-3435 (Print) Journal homepage http://mining.in.ua Volume 10 (2016), Issue 4, pp. 1-10 1 UDC [622.272.6(477):622.278]:622.691/.692 https://doi.org/10.15407/mining10.04.001 ТЕОРЕТИЧНІ ТА ГЕОТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ РОЗРОБКИ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННИХ РЕСУРСІВ ВУГІЛЬНИХ РОДОВИЩ І. Садовенко1, О. Інкін1, А. Загриценко1 1Кафедра гідрогеології та інженерної геології, Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, Україна Відповідальний автор: e-mail inkin@ua.fm, тел. +380562470711, факс: +380562470711 THEORETICAL AND GEOTECHNOLOGICAL FUNDAMENTALS FOR THE DEVELOPMENT OF NATURAL AND MAN-MADE RESOURCES OF COAL DEPOSITS I. Sadovenko1, O. Inkin1, A. Zagrytsenko1 1Hydrogeology and Engineering Geology Department, National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine Corresponding author: e-mail inkin@ua.fm, тел. +380562470711, факс: +380562470711 ABSTRACT Purpose. Theoretical and technological substantiation of parameters and schemes related to formation and use of natural and man-made volumetric and thermal resources of abandoned coal deposits using complex of geo-modules providing their activation, selection and storage in keeping with uneven seasonal energy consumption. Methods. Analytical and numerical methods for solving equations of hydrogas dynamics and heat- mass transfer; mathematical modeling by means of special software; statistical methods; stabilometrical testing of aqueous rocks samples by triaxial compression tool. Findings. The system of models presenting gas-dynamic, filtration and heat processes occurring in disturbed rocks as a result of natural and man-made resources development while shutting down mining works has been developed. The stud- ied patterns of water and gases movement in low-permeable coal-bearing rocks, reservoir beds and flooded mines al- lowed to evaluate the technological parameters of extraction, accumulation, and utilization of these heat transfer fluids for heating and cooling of buildings. The paper proposes and justifies technological options serving to utilize the thermal resource of water in a flooded mine and to activate this resource by underground combustion of residual coal reserves. Originality. The mechanism of heat transfer in the flooded rock mass of the abandoned mine with periodic pumping and selection of mine waters from different horizons and their heating by natural geothermal heat and underground combustion of residual coal reserves has been studied. Practical implications. The developed models have been implemented in real mines which allowed to evaluate the ranges of flow and heat transfer parameters related to the conditions for heat transfer fluid extraction and utilization at the final stage of mining. The developed models and obtained dependences allowed to justify the parameters of technological schemata aimed at the development of natural and man-made resources of coal deposits. Keywords: coal deposits, disturbed rocks, hydraulic fracturing, aqueous gas storage, underground coal combustion, modeling, geo-modules 1. ВСТУП Займаючи 0.45% загальносвітової поверхні суші, Україна за обсягами гірничодобувних робіт, які три- вають понад 200 років і супроводжуються значним впливом на навколишнє середовище, входить до пер- шої десятки країн світу. Для старих вугледобувних регіонів характерна суттєва техногенна перебудова геологічних структур і формування критичної еколо- гічної ситуації (Perov & Makarov, 2010). З урахуван- ням дефіциту та несинхронності споживання енерго- носіїв виникає також гостра необхідність у викорис- танні природно-техногенних ресурсів зосереджених на відпрацьованих шахтних полях і ділянках (Boyko, 2015). До цих ресурсів відносяться залишкові та не- кондиційні запаси вугілля, підземні води, які знахо- дяться в затоплених гірничих виробках, і горючі гази слабопроникних вуглевмісних порід (Gazaliyev, Portnov, & Kamarov, 2015). Крім того, змінений у ре- зультаті гірничих робіт масив містить потужний ємні- сний ресурс, здатний акумулювати рідкі та газоподібні енергоносії в обсязі, достатньому для згладжування сезонних коливань їх споживання (Arens, 2001). Основною причиною такої ситуації є успадкована неузгодженість різних стадій розвідки, розробки і згортання гірничих робіт на вугільних родовищах (Lustiuk, Diakon, & Petrina, 2013). У техніко- економічних і геологічних прогнозах ефективності відпрацювання шахтних полів недостатньо розгля- I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 2 даються передумови формування й обсяги супутніх корисних компонентів і колекторів, гідротермальний ресурс яких оцінюється як негативний на етапі роз- робки вугільних пластів, а на етапі завершення гір- ничих робіт взагалі не враховується (Logunov, 2011). Для визначення умов формування та потенціалу тех- ногенних гідротермальних родовищ, технологічного обґрунтування комплексного освоєння енерго- ємнісного ресурсу вугленосних площ та ліквідованих гірничодобувних підприємств, здатних на сучасному рівні економічної ефективності задовольнити потре- би ринку країни у тепловій енергії, необхідні відпо- відні кількісні оцінки. Тому поєднання етапів відпра- цювання вугільних родовищ на єдиній теоретичній основі, з визначенням параметрів геотехнологічних модулів з використання природно-техногенного ре- сурсу енергії та ємнісних властивостей підробленого масиву і суміжних площ, є актуальною і стратегічно важливою науково-практичною проблемою. 2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДОСЛІДЖЕНЬ І ОБҐРУНТУВАНЬ З ВИРІШЕННЯ ПРОБЛЕМИ Проведений детальний аналіз екологічного наван- таження, динаміки споживання і дефіциту теплової енергії у вугледобувних регіонах України показує, що сучасна ситуація зумовлює необхідність пошуку альтернативних енергоносіїв, які мінімізують вплив на навколишнє середовище, та резервуарів, здатних синхронізувати сезонну нерівномірність їх спожи- вання. Разом з тим, встановлено, що у сформованому в результаті тривалого ведення гірничих робіт при- родно-техногенному породному масиві зосереджена велика кількість герметичних колекторів (геологічні структури, гірничі виробки) і теплоносіїв, які умовно можна поділити за агрегатним станом на газоподібні (газ щільних вуглевмісних порід), рідкі (шахтні та підземні води) і тверді (некондиційні та забалансові запаси вугілля). Вугільні родовища є основною паливно-енер- гетичною базою країни, які містять також значні ресурси вуглеводневого газу у слабопроникних по- родах. Україна посідає третє місце в Європі та трина- дцяте у світі за ресурсами цього вида палива. Його кількість сягає 8 трлн м3, у той час як запаси тради- ційного газу не перевищують 1 трлн м3. У затопле- ному відпрацьованому масиві зосереджені потенційні запаси теплової енергії у вигляді накопиченої в шах- тних водах геотермальної енергії й некондиційних та малопотужних вугільних пластів, залишених після відпрацювання шахтного поля. Кількість невикорис- таного вугілля може сягати 30 – 50% розвіданих за- пасів шахти, а температура підземних вод, які запов- нюють її глибокі горизонти, 35°С. Крім того, відпра- цьовані вугільні родовища містять потужний ємніс- ний ресурс у проникних пластах-колекторах та зато- плених гірничих виробках, здатних акумулювати значні об’єми теплоносіїв. На основі аналізу наукових робіт (Kreinin, 2004) встановлено, що більшість способів розробки та збе- рігання природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ спрямовані на окремі види енергоносіїв, у той час як для економічно ефективного освоєння вугленосних площ необхідне обґрунтування компле- ксної геотехнології, яка забезпечує видобуток енер- гоносіїв у єдиному технологічному циклі з їх сезон- ним накопиченням у природних колекторах. Це ви- магає розробляти нові та вносити доповнення в існу- ючі геотехнологічні способи розробки рідких, газо- подібних і твердих енергоносіїв, зосереджених у відпрацьованих та суміжних шахтних полях, встано- влювати характеристики, які відображають кількісні взаємозв’язки між інтенсивністю видобутку енерго- носіїв, динамікою їх споживання та зберігання у відповідності із зовнішньою температурою. Напрям технологічного удосконалення в освоєнні природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ автори зосередили на підвищенні коефіцієнту корис- ної дії існуючих геотехнологій, більш повному вико- ристанні теплових і ємнісних ресурсів вуглевмісних порід, а також на узгодженні стадій та інтенсивності розробки енергоносіїв з необхідними обсягами їх споживання і зберігання. 2.1. Розробка й обґрунтування моделей акумуляції теплоносіїв у водоносних горизонтах і активізації газовиділення з слабопроникних колекторів Математична модель переносу тепла при закачу- ванні та відборі теплоносіїв із водоносних порід за- снована на двовимірних рівняннях фільтрації підзем- них вод і перенесення тепла в них за рахунок конвек- ції та кондукції (Rudakov, Sadovenko, & Inkin, 2012): ( ) ( ) ;2 2 2 1 1 1 t H SHH m K HH m K Q y H Km yx H Km x s ∂ ∂=−− −−−+      ∂ ∂ ∂ ∂+      ∂ ∂ ∂ ∂ Σ (1) ; t T Rm nC qqmq T n mv y T nC m y T n mv x T nC m x T ww tb y ww x ww ∂ ∂=−−+ +      − ∂ ∂ ∂ ∂−      − ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ρ λ ρ λ Σ (2) ( ) ( ) 0000 0,,;0,,;; TyxTHyxHTTHH ==== ΓΓ . (3) Вони враховують витоки тепла через покрівлю і підошву акумулюючого пласта: 0 ; == ∂ ∂= ∂ ∂−= z b mz t z T n q z T n q λλ , (4) де: ( )( ) ( ) ( )wwskskT CCnnR ρρ //11 ⋅−+= ; K – коефіцієнт фільтрації; m – потужність водоносного горизонту; K1 і m1, K2 і m2 – відповідно ті ж параметри його покрівлі та підошви; H, H1, H2 – напір в акумулюючому горизонті, вер- хньому та нижньому водоносних пластах; QΣ – змінна в часі та розподілена за площею сумарна інтенсивність відбору і нагнітання води свердловинами; λ – коефіцієнт теплопровідності порід акумулюю- чого горизонту; I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 3 Ss – пружноємність пласта; ρw, ρsk – густина води і щільність скелета порід; Cw, Csk – питома теплоємність води і скелета порід; T – температура води; qt, qb – теплові потоки з горизонту в його покрів- лю та підошву; qΣ – розподілена в обсязі пласта інтенсивність джерел і стоків тепла; n – пористість порід. Обчислювальна реалізація моделі переносу тепла виконана за допомогою програми Modflow 2009, призначеної для скінченно-різницевого розв’язку рівнянь фільтрації та перенесення у водоносних го- ризонтах. Коректність моделі доведена на основі аналітичного рішення Ловерьє для окремої свердло- вини. У розрахунках розглядалася наступна схема акумуляції та відбору теплової енергії: у водоносний пласт потужністю 20 м протягом 3 місяців через одну свердловину виконується закачування води з темпе- ратурою 25ºC і дебітом 300 м3/доб, потім, після паузи тієї ж тривалості, проводиться відкачка теплої води з свердловини з тим же дебітом. Початкова температу- ра підземних вод приймалася рівною 12ºC. Порів- няння результатів показує узгодженість чисельної моделі з аналітичним рішенням, при цьому максима- льні відхилення між профілями температури по відс- тані від свердловини, розрахованими двома метода- ми, не перевищують 2ºC (Рис. 1). (а) 6050403020100 24 22 20 18 16 14 12 3 1 2 Відстань від свердловини r, м Т ем п ер ат ур а пі д зе м ни х во д Т ,° C (б) 706050403020100 24 22 20 18 16 14 12 3 1 2 Відстань від свердловини r, м Т ем пе ра ту ра п ід зе м н их во д Т ,° C Рисунок 1. Розподіл температури підземних вод навколо нагнітальної свердловини в моменти часу (а) 90 діб і (б) 180 діб: 1 – чисельне рішення при значенні λ = 1.73 Вт/(м·К); 2 – чисельне рішення при 0.02 λ; 3 – аналітичне рішення За допомогою розробленої моделі проведена по- передня термогідродинамічна оцінка роботи геоцир- куляційної системи, яка призначена для тепло- і хо- лодопостачання будівель у кліматичних умовах Дон- басу та складається з трьох “теплих” і “холодних” свердловин. Шляхом моделювання оцінено зміну температури і рівня підземних вод при їх відборі й нагнітанні з пласта колектора. Аналіз отриманих результатів показав, що темпе- ратура теплоносіїв у періоди простою системи прак- тично не змінюється, однак у період відбору в “теп- лій” свердловині вона зменшується на 20% і до його закінчення знижується до 19ºC. При цьому коефіці- єнт акумуляції тепла в середньому складе 0.85, що перевищує закордонний промисловий досвід збері- гання теплової енергії у водоносних породах (Рис. 2). Стрілками показані напрямки течії підземних вод. (а) 61.5 62.0 61.5 T, COy, м x, м (б) T, COy, м x, м 58.5 58 .0 58.5 Рисунок 2. Розподіл рівня підземних вод (ізолінії абсо- лютних відміток) та їх температури Т (відтінки) по площі (х × у) водоносного гори- зонту: (а) на момент закінчення закачуван- ня; (б) після паузи та відкачування води I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 4 Співвідношення розрахованих параметрів пока- зує, що система підземного акумулювання в опалю- вальний період у середньому покриває 20% теплових навантажень, які виникають в мікрорайоні з 3 тисяч мешканців. Однак температура отриманих теплоносі- їв не задовольняє вимогам, що необхідні для тепло- постачання будівель, але дозволяє використовувати їх як низькопотенційне джерело енергії в теплових насосах. У період охолодження система спільно зі зрошувальними форсуночними камерами покриває 90% виникаючих навантажень. 2.2. Обґрунтування можливості активізації теплового ресурсу водоносних вуглевміщуючих порід за рахунок підземного спалювання вугілля Стосується перспективного способу розробки зо- середжених на відпрацьованих ділянках залишкових та некондиційних запасів вугілля шляхом підземного спалювання (Sadovenko, Rudakov, & Inkin, 2014; Falshtynskyy, Dychkovskyy, Lozynskyy, & Saik, 2012). Незважаючи на віковий досвід розвитку та істотні переваги (ліквідація небезпечної праці гірників, ско- рочення зростання обсягу породних відвалів і підви- щення стійкості природного середовища), ця техно- логія не отримала поширення через низький коефіці- єнт корисної дії, який визначається як відношення зосередженого у горючому газі тепла до загального тепла спалюваного палива. Для підвищення цього показника розроблений спосіб, який заснований на відборі підземних вод, що нагріваються при підзем- ному спалюванні вугілля (ПСВ) і розроблена матема- тична модель, яка описує даний процес (Рис. 3). Рисунок 3. Проектна схема нагріву підземних вод при ПСВ: 1 – напрямок руху дуття; 2 – напрямок руху горючого газу; 3 – напрямок руху теплово- го потоку; 4 – водоносний пласт; 5 – розділяю- чий пласт; 6 – вугільний пласт Розроблена модель фільтрації та теплопереносу в обводнених породах покрівлі при спалюванні пласта дозволяє визначати конвективну і кондуктивну скла- дові теплового потоку, який надходить з реакційного каналу у водоносний горизонт основної покрівлі: ( ) ( ) ( )tqtqtq cdcv +=0 ; (5) ( )wggggcv TTCQq −= ρ ; (6) cv gatm atmg g g S LP PP Q ⋅ ⋅ − ⋅= 2 22 μ κ ; (7) ( ) ( ) , 0mz pcdcd z tT Stq =∂ ∂⋅= λ (8) де: qсv(t) і qcd(t) – конвективна і кондуктивна складові теплового потоку; Qg – об’ємний потік газу в тріщинах порід покрівлі; µg – в’язкість газу; ρg – густина газу; Cg – теплоємність газу; Tg – температура газу; Pg – тиск газу у реакційному каналі; κ – проникність порід покрівлі; λp – коефіцієнт теплопровідності порід покрівлі; Tw – температура води у водоносному горизонті; Lg – довжина шляху фільтрації газу до рівня, де підтримується атмосферний тиск. Реалізований принцип збільшення площі конвек- тивного (Scv) і кондуктивного (Scd) теплообміну за рахунок розвитку зони спалювання в часі адекватно відображує зміни теплового потоку залежно від по- тужності водотриву і стадії спалювання вугілля. Чи- сельним аналізом теплового балансу встановлено, що до завершення спалювання вугільного пласта у роз- ташований вище водоносний горизонт покрівлі плас- та може надійти понад 60% тепла, акумульованого вміщуючими породами (Рис. 4). Цифрами вказана кількість тепла (ТДж) і його частка (%) від теплової енергії спалюваного вугілля. Для визначення температури підземних вод у роз- ташованому над реакційним каналом водоносному горизонті на його підошві виділявся об’ємний блок порід у вигляді паралелепіпеда (Рис. 5). Баланс тепла у блоці встановлювався на основі рівності кількості тепла (UΣ), що надходить до блоку чи виноситься з нього за проміжок часу τ та кількості тепла, яке ви- трачається на нагрівання підземних вод і гірських порід безпосередньо в блоці (Uнагр): ( ) ( ) BTTUqqqqU нагр ⋅−==−−+= 013210 τΣ ; (9) де: wATq =1 ;       −+⋅= wT TT Dq 2 01 3 ; wwCvzyA ρΔΔ ⋅⋅⋅= ; skskskwww VCVCB ρρ += ; z yx D Δ ΔΔλ= ; 12 5 4 6 3 I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 5 Т0, Т1 – відповідно температура води і порід у блоці сітки розмірами Δх, Δу, Δz на почату і в кінці проміжку часу τ; ν – швидкість фільтрації; Vw, Vsk – об’єм води і порід у блоці; q0 – тепловий потік від реакційного каналу; q1 і q2 – конвективні потоки тепла уздовж напрям- ку фільтраційного потоку; q3 – кондуктивний тепловий потік від блоку до сусіднього блоку, розташованого вище. (а) 1 2 3 4 5 3 2 64%. , 0 57. , 11% 1 23. , 25% 1 15 23%. , 0 08 2%. , (б) 1 3 2 64%. , 0 94. , 19% 2 3 0 86. , 17% 0 8 16%. , 4 50 0 %. 6, 1 Рисунок 4. Баланс теплової енергії при ПCВ: (а) з поту- жністю водотриву 3 м; (б) з потужністю водотриву 7 м; 1 – хімічне тепло (що міс- титься у газі); 2 – фізичне тепло (поглинене породним масивом); 3 – тепло, що надходить у водоносний горизонт; 4 – кондуктивне теп- ло; 5 – конвекційне тепло Tw, q1 T0, T1 q3 Δ x Δ y Водотрив Δ z q0 q2 Рисунок 5. Схема балансу тепла у блоці водоносного пласта над покрівлею реакційного канала У результаті послідовних розрахунків за запропо- нованою формулою можна встановити зміну темпе- ратури блока водоносних порід, які залягають над покрівлею реакційного каналу. При цьому поперед- ньо необхідно розрахувати сумарну величину тепло- вого потоку з каналу і швидкість фільтрації підзем- них вод шляхом вирішення гідродинамічної задачі. Для знаходження розподілу температури у водонос- них породах встановлена температура блоку задаєть- ся в елементі скінченно-різницевої сітки чисельної моделі переносу тепла в програмі ModFlow, що вже була протестована (Рис. 1). В інших елементах цієї моделі (поза реакційного каналу) встановлюються відповідні граничні умови. Верифікація запропонованої моделі була прове- дена на основі масштабного науково-промислового експерименту з ПСВ на ділянці “Hanna – 1” родови- ща вугілля Rocky Mountain у США. Оцінена динаміка зміни рівня підземних вод, під дією модулів спалю- вання, узгоджується з фактичними даними протягом більшої частини періоду епігнозу з абсолютною по- хибкою 2 – 6 м при адекватному відображенні воро- нок депресії. Зіставлення натурних і модельних да- них температури води у свердловинах показало, що результати розрахунку відповідають фактичній зміни температури у водоносному горизонті, який залягає над реакційним каналом, при цьому абсолютна похи- бка розрахунків не перевищує 5ºС (Рис. 6). Т ем пе ра ту ра пі дз ем ни х во д Т ,º С 3 1 60 70 0 20 40 60 80 100 50 40 30 20 2 Рисунок 6. Динаміка зміни температури підземних вод на ділянці “Hanna – 1”: ——— за даними моделювання; 1 – відповідно у свердловинах TW 3, TW 4 і EMW 1; за натурними даними: ◊ – свердловина TW 3; □ – свердловина TW 4; ▲ – свердловина EMW 1 Шляхом моделювання теплопереносу оцінено ро- зміри, форму і температуру теплових зон, які фор- муються в пісковиках залежно від кута їх падіння та стадії спалювання вугілля. Температурні аномалії у водоносних породах непостійні у часі та просторі, можуть сягати 70ºС і потребують розробки геотехно- логічних схем освоєння (Рис. 7). За допомогою відомих критеріїв придатності вугі- льних пластів для підземного спалювання та оцінених параметрів водоносних пластів для накопичення теп- лової енергії проведено геолого-гідрогеологічне діаг- ностування ділянки “Ольхова Нижня” Чистяково- Сніжнянського гірничопромислового району Донбасу. Визначено, що на досліджуваній території найбільш раціональне підземне спалювання некондиційного вугільного пласта 1 10h з використанням у якості теп- лоносія підземних вод верхніх “бабаковських” піско- виків 1110Shh потужністю до 60 м. I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 6 (a) T, COy, м x, м (б) T, COy, м x, м Рисунок 7. Розподіл рівня підземних вод на площі х × у (ізолінії) та їх температури (відтінки) у “ба- баковських” пісковиках при спалюванні вугі- льного пласта h10 1: (а) по закінченні спалю- вання 30 діб; (б) по завершенні відбору нагрі- тих вод 180 діб 2.3. Термогідродинамічна оцінка ефективності використання теплового й ємнісного потенціалів затопленого шахтного поля Дана оцінка виконана на прикладі проектного ге- отермального модуля в межах затопленої шахти “Но- вогродівська 2”, що ліквідується (Красноармійський вуглепромисловий район Донбасу). Площа шахтного поля, представленого в орогідрографічному плані вододільним плато, складає 20 км2. У межах шахтно- го поля промисловими є два вугільних пласти, які залягають під гідравлічно зв’язаними водоносними горизонтами на відстані 25 – 30 м один від одного. У межах шахти знаходиться понад 8 млн тонн вугілля, зосередженого у залишкових і некондиційних запа- сах, придатних за своїми фізико-хімічними характе- ристиками для розробки способом підземного спа- лювання. Водоносні породи представлені вапняком L1 потужністю до 5 м і пісковиками L1sl1 і l1sl3 з сере- дньою потужністю 15 і 20 м відповідно. Верхнє роз- ташування вугільного пласта l1, який відпрацьовува- вся раніше пласта k8, зумовило надходження водоп- ритоків у розташовані вище гірничі виробки. Такий характер залягання вугільних пластів формував во- допритоки у кожну з розглянутих вугільних пачок і визначав наступний підхід до геофільтраційної схе- матизації шахтного поля. Геофільтраційна модель шахти, створена в ліцен- зійному програмному комплексі ModFlow, відображає два промислових пласти, міжпластя, що їх розділяє, а також покрівлю пласта l1 і підошву пласта k8, тобто модель містить п’ять шарів з кутами падіння, які від- повідають їхнім гірничо-геологічним умовам та має площу 20 км2 (4000 × 5000 м). Потужності продуктив- них товщ на моделі приймалися у відповідності із залежністю проникності підробленого породного ма- сиву від кратності його підробки, у середньому рівни- ми 10 – 40 потужностям вугільного пласта (Рис. 8). Рисунок 8. Тривимірне уявлення геометрії геофільтра- ційної моделі шахти “Новогродівська 2” При задаванні зовнішніх меж модельованої області тектонічне порушення (Новогродівський скид) прий- малося у вигляді непроникної в гідродинамічному відношенні межі. На південному заході та південному сході, де вугільні пласти мають безпосередній гідрав- лічній зв’язок із водоносними палеогеново-неогено- вими відкладами, задавалася гранична умова третього роду, яка відображала взаємозв’язок величини витрати потоку підземних вод цих відкладень у продуктивну товщу з різницею гідродинамічних напорів у них. У місцях перетоків підземних вод між шахтами “ім. Коротченка” – “Новогродівська 2” і “Новогродів- ська 2” – “Новогродівська 1” встановлювалися грани- чні умови другого роду з витратами, відповідними їх питомим значенням. Внутрішніми межами геофільтраційної моделі шахти є очисні виробки, які відображаються гранич- ними умовами першого роду з величиною гідроди- намічного рівня, що відповідає абсолютній відмітці підошви вугільних пластів. Положення цих меж ви- значалося шляхом побудови плана гірничих виробок у програмному середовищі AutoCAD і перенесення контурів виїмкових дільниць на шари моделі. При моделюванні затоплення шахти внутрішні граничні умови виключались. I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 7 Для оцінки адекватності розробленої геофільтра- ційної моделі шахти була вирішена обернена задача, мета якої полягала у коригуванні гідродинамічної ролі зовнішніх меж водоносних пластів та їх фільтра- ційних властивостей. Основою рішення були спосте- реження за графіком затоплення ствола шахти і гідро- динамічні виміри. Аналіз результатів показує, що на моделі вдалося практично повністю відобразити не- стаціонарну динаміку підйому рівня води в системі гірничих виробок і масиві у процесі ліквідації шахти. При цьому похибка розрахунків рівнів знаходиться у межах 3 – 11 м, а відносна не перевищує 10%. За допомогою протестованої геофільтраційної моделі шахти було встановлено прогнозне положен- ня рівня підземних вод на заданий момент часу і передбачувану дату запуску в роботу геотермального модуля. Для оцінки природного теплового потенціа- лу вод шахти приймалося, що в обводнений масив надходить тепловий потік q, обумовлений виділен- ням тепла в земних надрах. Зверху, нижче 6 – 7 м від денної поверхні, залягає нейтральний шар порід, температура якого постійна і дорівнює середньоріч- ній температурі в регіоні (приблизно +10ºС). За цих умов рівняння теплопровідності відносно вертикаль- ної осі Н з урахуванням конвекції має вигляд: 0 2 2 = ∂ ∂⋅− ∂ ∂ H T aH T вν , (11) при наступних граничних умовах: 1TT = при 1НН = ; НTq ∂∂−= /λ при 2НН = . (12) Загальне рішення цього рівняння має вигляд: ( ) ( )[ ]2121 expexp HHBHHB B q TT −−−+= λ . (13) При цьому тепловий потенціал шахтних вод, які містяться в затопленому масиві, визначається з виразу: обVTCQ ⋅⋅⋅= ρ , (14) де: a B вν = ; Т1, Н1 – температура та відстань до нейтрального шару; Н – глибина залягання; a – температуропровідність водонасичених порід; vв – вертикальна швидкість фільтрації; Q – кількість теплоти; С, ρ, Т, Vоб – питома теплоємність, густина, тем- пература та об’єм шахтних вод відповідно. Результати розрахунків температури шахтних вод добре узгоджуються з фактичними даними, отрима- ними в результаті моніторингу за гідродинамічним режимом шахти. Сумарний тепловий ресурс вод, які знаходяться у затопленому масиві, визначався пого- ризонтно залежно від обсягу виробленого простору, і складає 1300 ТДж. Освоєння теплового ресурсу вод шахти “Новогродівська 2” для тепло- і холодопоста- чання будівель пов’язане з періодичною зміною їх температури через її відмінності у затопленому маси- ві та на денній поверхні, а також втрат тепла під час руху води по свердловинах. Проведені термодинамі- чні розрахунки геофільтрації у виробленому масиві, основані на результатах числового моделювання та аналітичних рішеннях, показали, що сумарні теплов- трати в процесі відбору, накопичення і зберігання шахтних вод не перевищать 15%. Досліджені зміни температури шахтних вод під час охолоджувального та опалювального періодів дають можливість оцінити рентабельність їх застосу- вання в теплових насосах (Рис. 9). За основний пока- зник ефективності насосів приймалися коефіцієнти перетворення тепла КТ і холоду КХ, що являють со- бою відношення теплопродуктивності насосів до споживаної ними електроенергії. Аналіз отриманих результатів показує, що при застосуванні шахтних вод у тепловому насосі досягаються найбільші кое- фіцієнти перетворення тепла в порівнянні з іншими альтернативними варіантами. Рисунок 9. Ефективність роботи теплового насоса при використанні різних низкопотенційних джерел енергії: 1 – шахтних вод; 2 – ґрунтів; 3 – поверхневих водотоків 2.4. Технологічна схема геомодуля Отримані результати динаміки температури шах- тних вод дозволили розробити технологічну схему освоєння теплового ресурсу затопленого шахтного поля (Рис. 10). В літній період зосереджена у затоп- лених гірничих виробках шахти “Новогродівська 2” в інтервалі 0 – 100 м вода, яка має середню температу- ру + 12ºС, через кущ “холодних” свердловин відкачу- ється на денну поверхню і надходить в теплові насоси. Після чого вода, нагріта в результаті кондиціонування будівель до температури зовнішнього повітря (≈30ºС), через кущ “теплих” свердловин повертається в затоп- лені виробки, але вже на горизонт –300…–400 м з середньою температурою 26ºС. Через два місяці піс- ля припинення охолодження приміщень (закінчення літа) вода з нижніх горизонтів через “теплі” свердло- вини знову подається на денну поверхню і викорис- товується як джерело низькопотенційної енергії в теплових насосах для обігріву будівель. Віддавши тепло й охолонувши до 7ºС, відпрацьована вода через “холодні” свердловини знову надходять на горизонт 0 – 100 м. Тривалість цього етапу експлуатації геомо- дуля становить п’ять місяців (листопад – березень), після чого наступає двомісячний період простою, упродовж якого можуть проводитися ремонтно-про- філактичні роботи. I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 8 Рисунок 10. Технологічна схема геомодуля на території шахтного поля: 1 – будівля; 2 – продуктивна товща із затопленими гірничими виробками; 3 – “холодна” свердловина; 4 – “тепла” свер- дловина; 5 – некондиційний вугільний пласт; 6 – пакер; 7, 8 – шлях руху шахтних вод з “холодної” та “теплої” свердловин; 9, 10 – напрямки течії дуттьового і теплового потоків при спалюванні вугілля Область використання розглянутого технологіч- ного рішення обмежується температурою шахтних вод, що нижче вимог, які ставляться для теплопо- стачання будівель. Це обумовлює можливість їх застосування як низкопотенційного джерела енергії в теплових насосах та системах опалення “тепла підлога”, що потребують значних капітальних ви- трат на їх монтаж й обслуговування. Разом з тим, нагрів води (наприклад шахти “Новогродівська 2”) до кондиційного стану можливий при роботі геомо- дуля за другим технологічним варіантом, який при- пускає підвищення їх температури за рахунок пі- дземного спалювання некондиційних пластів вугіл- ля протягом 100 діб (листопад – січень) і відкачу- вання води з верхніх затоплених виробок. На основі проведеного моделювання процесів фільтрації та теплопереносу встановлено, що тепловий потік у розмірі 500 – 580 ГДж/добу, який утворюється при спалюванні вугілля й відборі нагрітих вод, під час опалювального періоду практично повністю покри- ває теплові потреби м. Новогродівка, розташованого в 10 км від шахти, з населенням у 15 тис. чол. Гідрогеотермальний модуль в умовах шахти “Ново- гродівська 2” в опалювальний період дозволяє отрима- ти річну економію умовного палива до 80 – 120 тонн. Модуль характеризується позитивними значеннями чистої дисконтної вартості (18 – 20 тис. дол./(ГДж/рік)) та відповідає світовим нормативам раціонального застосування геотермальних циркуляційних систем у природних колекторах. 3. ВИСНОВКИ Чисельна модель фільтраційного теплопереноса у водоносному горизонті збігається з класичним рі- шенням термодинаміки з точністю до 2ºС, що дозво- лило для гідрогеологічних і кліматичних умов Дон- басу встановити коефіцієнт акумуляції теплової ене- ргії геоциркуляційної системи за рахунок збереження літнього тепла і зимового холоду в порушених водо- носних пластах у діапазоні 0.8 – 0.9, який задоволь- няє світовим нормативам ефективного застосування теплообмінників у геологічних структурах. При спалюванні некондиційного вугільного плас- та затопленої шахти у водоносному горизонті основ- ної покрівлі накопичується понад 60% тепла, яке надходить з реакційного каналу, що дозволяє залеж- но від потужності розділюючого шару порід безпосе- редньої покрівлі та стадії спалювання підвищити температуру підземних вод до 40 – 90ºС і шляхом їх відбору збільшити коефіцієнт корисної дії запатенто- ваної геотехнології на 18 – 25%. Сумарні тепловтрати в процесі відбору, накопи- чення й зберігання шахтних вод не перевищують 15%, а їх застосування з температурою 26 – 28ºС реа- лізується з коефіцієнтом перетворення тепла до 7.5, що дозволяє ефективно використовувати тепловий та ємнісний ресурси затоплених шахт за рахунок сезон- ного відбору та закачування вод різних горизонтів за двома технологічними варіантами: перший – шляхом використання шахтних вод як низкопотенційного джерела енергії в теплових насосах; другий – підви- щенням їх температури шляхом підземного спалю- вання залишкових запасів вугілля. ВДЯЧНІСТЬ Дана стаття була б неможлива без результатів прикладної науково-дослідної роботи “Обґрунтуван- ня комплексу геотехнологічних модулів з викорис- тання природно-техногенного ресурсу родовищ ко- рисних копалин України”, яка виконувалась в Дер- жавному ВНЗ «Національний гірничій університет» за рахунок видатків загального фонду державного бюджету (№ ДР 0115U002300). REFERENCES Arens, V. (2001). Physical and Chemical Geotechnology. Moscow: MGU. Boyko, V. (2015). Prerequisites and Prospects for Normaliza- tion of Thermal Conditions in Headings of Deep Mines of Donets Basin. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (3), 103-118. Falshtynskyy, V., Dychkovskyy, R., Lozynskyy, V., & Saik, P. (2012). New Method for Justification the Technological Parameters of Coal Gasification in the Test Setting. Geo- mechanical Processes during Underground Mining: School of Underground Mining 2012, 201-208. https://doi.org/10.1201/b13157-35 Gazaliyev, A., Portnov, V., & Kamarov, R. (2015). Geophysi- cal Research of Areas with in Increased Gas Content of Coal Seams. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (6), 24-29. Kreinin, E.V. (2003). Modern Gas Radiation Tubes with Ceramic Frame. Metal Science and Heat Treatment, 45(1/2), 39-40. https://doi.org/10.1023/a:1023900213940 I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 9 Logunov, D. (2011). On the Issue of Alternative Energy Sources Use in Ukraine. Geothermal Energy. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 58-61. Lustiuk, M., Diakon, V., & Petrina, M. (2013). Mathematical Model For Mineral Reserves Evaluation. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 5-10. Perov, M., & Makarov, M. (2010). The Influence of Anthropo- genic Loads of the Coal Industry on the Environment. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (7-8), 99-103. Rudakov, D., Sadovenko, I., & Inkin, O. (2012). Modeling of Heat Transport in an Aquifer during Accumulation and Ex- traction of Thermal Energy. Naukovyi Visnyk Natsional- noho Hirnychoho Universytetu, (1), 40-45. Sadovenko, I., Rudakov, D., & Inkin, O. (2014). Geotechnical Schemes to the Multi-purpose Use of Geothermal Energy and Resources of Abandoned Mines. Progressive Technolo- gies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining, 443-450. https://doi.org/10.1201/b17547-76 ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета. Теоретичне та технологічне обґрунтування параметрів і схем формування та використання природно- техногенного теплового й ємнісного ресурсів відпрацьованих вугільних родовищ за допомогою комплексу гео- модулів, які забезпечують їхню активізацію, відбір і зберігання синхронно з сезонною нерівномірністю спожи- вання енергоносіїв. Методика. Аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь гідрогазодинаміки та тепломасопереносу; мате- матичне моделювання із застосуванням спеціального програмного забезпечення; методи статистики; стабіломе- тричні випробування зразків водоносних порід на приладі тривісного стиснення. Результати. Розроблений комплекс моделей газодинамічних, фільтраційних і теплових процесів, які проті- кають у порушеному масиві та обумовлені розробкою його природно-техногенних ресурсів і згортанням гірни- чих робіт. Досліджено закономірності руху води та газів у слабопроникних вуглевмісних породах, пластах- колекторах і затоплених гірничих виробках, які дозволили обґрунтувати технологічні параметри відбору, аку- муляції та використання теплоносіїв для тепло- і холодопостачання будівель. Запропоновані й обґрунтовані технологічні варіанти використання теплового ресурсу вод, які знаходяться у затопленій шахті, та його активі- зацію за рахунок підземного спалювання залишкових запасів вугілля. Наукова новизна. Досліджено механізм теплопереносу в затопленому гірничому масиві ліквідованої шах- ти, що супроводжується періодичним закачуванням та відбором шахтних вод різних горизонтів, а також їх на- гріванням природним геотермічним теплом і підземним спалюванням залишкових запасів вугілля. Практична значимість. Розроблені моделі застосовані на реальних об’єктах у гірничопромислових райо- нах з визначенням діапазонів параметрів гідродинамічного і теплового режимів, в яких створюються умови для відбору та використання енергоносіїв на завершальному етапі відпрацювання вугільних родовищ. На основі моделей та одержаних закономірностей обґрунтовані параметри технологічних схем розробки природно- техногенних ресурсів вугільних родовищ. Ключові слова: вугільне родовище, порушений масив, гідророзрив, водоносне газосховище, підземне спалю- вання вугілля, моделювання, геомодуль ABSTRACT (IN RUSSIAN) Цель. Теоретическое и технологическое обоснование параметров и схем формирования и использования природно-техногенного теплового и емкостного ресурсов отработанных угольных месторождений с помощью комплекса геомодулей, обеспечивающих их активизацию, отбор и хранение синхронно с сезонной неравномер- ностью потребления энергоносителей. Методика. Аналитические и численные методы решения уравнений гидрогазодинамики и тепломассопере- носа; математическое моделирование с применением специального программного обеспечения; методы стати- стики; стабилометрические испытания образцов водоносных пород на приборе трехосного сжатия. Результаты. Разработан комплекс моделей газодинамических, фильтрационных и тепловых процессов, протекающих в нарушенном массиве и обусловленных разработкой его природно-техногенных ресурсов и сво- рачиванием горных работ. Исследованы закономерности движения воды и газов в слабопроницаемых углевме- щающих породах, пластах-коллекторах и затопленных горных выработках, которые позволили обосновать технологические параметры отбора, аккумуляции и использования теплоносителей для тепло- и холодоснабже- ния зданий. Предложены и обоснованы технологические варианты использования теплового ресурса вод, нахо- дящихся в затопленной шахте, и его активизации за счет подземного сжигания остаточных запасов угля. Научная новизна. Исследован механизм теплопереноса в затопленном горном массиве ликвидированной шахты, сопровождающийся периодической закачкой и отбором шахтных вод различных горизонтов, а также их нагреванием естественным геотермическим теплом и подземным сжиганием остаточных запасов угля. Практическая значимость. Разработанные модели применены на реальных объектах в горнопромышлен- ных районах с определением диапазонов параметров гидродинамического и теплового режимов, в которых создаются условия для отбора и использования энергоносителей на завершающем этапе отработки угольных месторождений. На основе моделей и полученных закономерностей обоснованны параметры технологических схем разработки природно-техногенных ресурсов угольных месторождений. Ключевые слова: угольное месторождение, нарушенный массив, гидроразрыв, водоносное газохранилище, подземное сжигание угля, моделирование, геомодуль I. Sadovenko, O. Inkin, A. Zagrytsenko. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(4), 1-10 10 ARTICLE INFO Received: 15 September 2016 Accepted: 5 October 2016 Available online: 30 December 2016 ABOUT AUTHORS Ivan Sadovenko, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Hydrogeology and Engineering Geology Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/54, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: inkin@ua.fm Oleksander Inkin, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of the Hydrogeology and Engineering Geology Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/54, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: inkin@ua.fm Alina Zagrytsenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Hydrogeology and Engineering Geolo- gy Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/54, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: alinanik@bigmir.net

Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ

Репозитарії

Схожі ресурси