До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля

Викладено результати встановлення напружено-деформованого стану гірського масиву, товщини двошарової штучно створеної оболонки та кроку обвалення порід для забезпечення керування гірським масивом в зоні виконання свердловинної підземної газифікації вугілля. Забезпечено необхідну стійкість контуру ге...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
1. Verfasser:	Дичковський, Р.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2015
Schriftenreihe:	Геотехнічна механіка
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134259
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля / Р.О. Дичковський // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 122. — С. 226-237. — Бібліогр.: 3 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-134259
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1342592018-06-14T03:04:20Z До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля Дичковський, Р.О. Викладено результати встановлення напружено-деформованого стану гірського масиву, товщини двошарової штучно створеної оболонки та кроку обвалення порід для забезпечення керування гірським масивом в зоні виконання свердловинної підземної газифікації вугілля. Забезпечено необхідну стійкість контуру геореактора та необхідного простору для проходження газових сумішей. Запропоновано математичний механізм визначення теплообміну у породах при варіації складом дуттьової суміші та зміни її тиску. Проведення аналітичних досліджень ґрунтувалось на основі схеми теплообмінника, що найбільш точно характеризує розподіл температурного поля в зоні впливу геореактора. Формування штучних оболонок в зоні впливу підземних газогенераторів здійснювалося у два етапи через оболонку оплавлених порід, яка знаходиться безпосередньо над осередком газифікації, та створенням порід зі зміненими метаморфічними властивостями у глибині масиву. Переміщення порід досліджувалися на тестових установках за допомогою спеціальних датчиків. Чисельний аналіз використано для визначення напружено-деформованого стану порід на основі термо-пружно-пластичної моделі деформаційного середовища. Для побудови узагальнюючих залежностей використано метод множинної регресії та застосовано загальновизнані системи обробки даних таблиць Excel-2013. Изложены результаты установления напряженно-деформированного состояния горного массива, толщины двухслойной искусственно созданной оболочки и шага обрушения пород для обеспечения управления горным массивом в зоне выполнения скважинной подземной газификации угля. Обеспечено необходимую устойчивость контура геореактора и необходимого пространства для прохождения газовых смесей. Предложено математический механизм определения теплообмена в породах при вариации составом дутьевой смеси и изменении ее давления. Проведение аналитических исследований основывалось на схеме теплообменника, наиболее точно характеризуещего распределение температурного поля в зоне влияния гереактора. Формирование искусственных оболочек в поле подземных газогенераторов осуществлялось в два этапа через оболочку оплавленных пород, которая находится непосредственно над очагом газификации, и созданием пород с измененными метаморфическими свойствами в глубине массива. Перемещение пород исследовались на тестовых установках с помощью специальных датчиков. Численный анализ использовано для определения напряженно-деформированного состояния пород на основе термо-упруго-пластического модели деформационной среды. Для построения обобщающих зависимостей использован метод множественной регрессии и применены общепризнанные системы обработки данных таблиц Excel-2013. The results establishing the stress-strain state of the rock-mass, the thickness of the artificially created bilayer shell and rocks movement to manage massif in the zone of conducting the well underground coal gasification are presented. It was developed the appropriate resistance of the gas-gen circuit and necessary space for the passage of gas mixtures. The mathematical mechanism for determining the heat variations in the composition of rocks at blowing mixtures and change of its pressure is given. Analytical studies based on the heat exchanging scheme, that accurately describes the distribution of the temperature field in the zone of gas-gen are done. Forming the artificial shells in the area of underground gas generators was carried out in two stages through the shell melted rocks, located directly above the center of gasification and the creation of metamorphic rocks with altered properties in the depths of the rock-mass. It was detected the movement of rocks studied on the test unit with special sensors. Numerical analysis used to determine the stress-strain state of rocks based on thermo-elastic-plastic deformation model. To construct synthesis dependencies used multiple regression method and applied universally data processing system tables Excel-2013. 2015 Article До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля / Р.О. Дичковський // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 122. — С. 226-237. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134259 622.272.6 uk Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Викладено результати встановлення напружено-деформованого стану гірського масиву, товщини двошарової штучно створеної оболонки та кроку обвалення порід для забезпечення керування гірським масивом в зоні виконання свердловинної підземної газифікації вугілля. Забезпечено необхідну стійкість контуру геореактора та необхідного простору для проходження газових сумішей. Запропоновано математичний механізм визначення теплообміну у породах при варіації складом дуттьової суміші та зміни її тиску. Проведення аналітичних досліджень ґрунтувалось на основі схеми теплообмінника, що найбільш точно характеризує розподіл температурного поля в зоні впливу геореактора. Формування штучних оболонок в зоні впливу підземних газогенераторів здійснювалося у два етапи через оболонку оплавлених порід, яка знаходиться безпосередньо над осередком газифікації, та створенням порід зі зміненими метаморфічними властивостями у глибині масиву. Переміщення порід досліджувалися на тестових установках за допомогою спеціальних датчиків. Чисельний аналіз використано для визначення напружено-деформованого стану порід на основі термо-пружно-пластичної моделі деформаційного середовища. Для побудови узагальнюючих залежностей використано метод множинної регресії та застосовано загальновизнані системи обробки даних таблиць Excel-2013.
format	Article
author	Дичковський, Р.О.
spellingShingle	Дичковський, Р.О. До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля Геотехнічна механіка
author_facet	Дичковський, Р.О.
author_sort	Дичковський, Р.О.
title	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля
title_short	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля
title_full	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля
title_fullStr	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля
title_full_unstemmed	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля
title_sort	до питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134259
citation_txt	До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля / Р.О. Дичковський // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 122. — С. 226-237. — Бібліогр.: 3 назв. — укр.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT dičkovsʹkijro dopitannâkeruvannâgírsʹkimtiskomprisverdlovinníjpídzemníjgazifíkacíívugíllâ
first_indexed	2025-07-09T20:38:14Z
last_indexed	2025-07-09T20:38:14Z
_version_	1837203190138798080
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 226 УДК 622.272.6 Дичковський Р.О., д-р техн. наук, професор (Державний ВНЗ НГУ») ДО ПИТАННЯ КЕРУВАННЯ ГІРСЬКИМ ТИСКОМ ПРИ СВЕРДЛОВИННІЙ ПІДЗЕМНІЙ ГАЗИФІКАЦІЇ ВУГІЛЛЯ Дычковский Р.Е., д-р техн. наук, профессор (Государственный ВУЗ «НГУ») К ВОПРОСУ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ СКВАЖИННОЙ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ Dychkovskyi R.O., D.Sc. (Tech), Professor (SHEI «NMU») SOME ASPECTS OF MANAGING THE MINING PRESSURE IN WELL UNDERGROUND COAL GASIFICATION Анотація. Викладено результати встановлення напружено-деформованого стану гірсько- го масиву, товщини двошарової штучно створеної оболонки та кроку обвалення порід для забезпечення керування гірським масивом в зоні виконання свердловинної підземної газифі- кації вугілля. Забезпечено необхідну стійкість контуру геореактора та необхідного простору для проходження газових сумішей. Запропоновано математичний механізм визначення теплообміну у породах при варіації складом дуттьової суміші та зміни її тиску. Проведення аналітичних досліджень ґрунтувалось на основі схеми теплообмінника, що найбільш точно характеризує розподіл температурного поля в зоні впливу геореактора. Формування штучних оболонок в зоні впливу підземних газогенераторів здійснювалося у два етапи через оболонку оплавлених порід, яка знаходиться безпосередньо над осередком газифікації, та створенням порід зі зміненими метаморфічними властивостями у глибині ма- сиву. Переміщення порід досліджувалися на тестових установках за допомогою спеціальних датчиків. Чисельний аналіз використано для визначення напружено-деформованого стану порід на основі термо-пружно-пластичної моделі деформаційного середовища. Для побудови узагальнюючих залежностей використано метод множинної регресії та застосовано загаль- новизнані системи обробки даних таблиць Excel-2013. Ключові слова. Двошарова штучностворена оболонка, дуттьова суміш, геореактор, крок обвалення порід, керування гірським тиском. Вступ. Збитковість роботи багатьох вугільних підприємств, зниження без- пеки виконання технологічних процесів гірничого виробництва, що призводить до травматизму та летальних випадків, вимагає перегляду ефективності існую- чих механічних технологій відбивання вугілля від масиву й існування у наяв- ному вигляді самих шахт. Сьогодні ведеться переорієнтація підприємств на си- стеми: «шахта-лава», «газовугільна шахта» чи ін.; розробляються технології ви- користання теплової енергії порід, перепадів температури вхідного і вихідного струменів повітря тощо. На жаль, дані перетворення лише вносять доповнення до існуючих способів отримання енергетичних джерел, руйнування, транспор- тування та переробки сировини. © Р.Е. Дычковский, 2015 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 227 До якісної зміни технологій видобування вугілля спонукають багато інших факторів. Основними серед них є: збільшення середньої глибини ведення гір- ничих робіт, зниження потужності пластів, наявність тектонічних та природних зон підвищеного гірського тиску, геодинамічних і динамічних проявів у масиві тощо. Однією із радикально нових технологій розробки та переробки вугілля є свердловинна підземна газифікація (СПГВ). Дана технологія полягає у бурінні похило-горизонтальних свердловин по вугільному пласту із з’єднанням їх між собою. Далі провадиться розпалювання вугілля та створюється керований во- гневий вибій із збалансованим дотриманням окислювальної та відновної зон. Це дає можливість отримувати суміш горючих газів із подальшим їх викори- станням як джерела електричної енергії та хімічних продуктів. У гірництві та- кий спосіб розробки вугільних родовищ за інноваційністю, безпекою праці, от- риманням енергетичного продукту відноситься до категорії «високі технології (high technologies)». Новітні схеми СПГВ дають можливість провадити розробку запасів на но- вому техніко-економічному рівні з виключенням забруднення навколишнього середовища при видобутку, комплексній переробці вугільних пластів на місці їх залягання з отриманням високотехнологічних продуктів у вигляді електричної, теплової енергії та хімічної сировини. У Національному гірничому університеті на кафедрі підземної розробки ро- довищ розроблено технологічні концепції енергохімічного підприємства з ви- добутку і переробки пластів твердого палива з урахуванням геологічних і тех- ногенних чинників у безпечному екологічно чистому циклі при утилізації й пе- реробці димових газів, шламів і золоуносів ТЕС, ТЕЦ та котельних. Замкнутий цикл підземної газифікації вугілля дає можливість вирішити актуальну екологі- чну проблему утилізації, переробки димових газів та відходів енергетичних пі- дприємств. Газ ПГВ не вимагає додаткової підготовки і використовується як енергоресурс для отримання теплової, електричної енергії на самій станції «Пі- дземгаз» за допомогою поршневих агрегатів, паротурбінних або газотурбінних установок. Промислова реалізація цієї технології доводить її рентабельність, тому сьо- годні актуальним постає питання удосконалення технічних і технологічних рі- шень, а також визначення складу дуттьової суміші та вихідних продуктів. Важ- ливими складовими досліджень протікання підземної газифікації вугілля є ви- значення збалансованості фізико-хімічних процесів, пов'язаних зі зміною хіміч- ного складу й якісних властивостей вугілля, а також конструктивних особливо- стей підземного газогенератора. Від взаємодії (збалансованості) системи «пі- дземний газогенератор», швидкостей хімічних реакцій і фізичних процесів при вигазовуванні вугільного пласта залежатиме керованість, безпека і технологіч- ність виробництва штучного газу. На підставі параметрів матеріального і теплового балансу можна визначити чисельні значення коефіцієнтів корисної дії як окремих складових процесу га- зифікації, так і всієї установки у цілому. Ці параметри також слугують підста- вою для вибору технічного і технологічного забезпечення процесу газифікації, ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 228 поверхневого комплексу очищення і переробки продуктів СПГВ, попередньої оцінки ефективності й економічності генератора. При газифікації вугілля діють високі температура та тиск, які формують специфічну гірничо-геологічну ситуацію. Важливим елементом застосування цієї радикальної технологій є розробка заходів із комплексного використання продуктів газифікації як енергетичного джерела та хімічної сировини, що скла- далися із наступних етапів: - формування штучноствореної двошарової оболонки для ефективного ке- рування гірським тиском; - аналітичне визначення матеріально-теплового балансу процесу газифікації; - стендові дослідження і адаптація керованості системи до реальних гірничо- геологічних умов; - промислово-експериментальна перевірка отриманих результатів. Саме формування під дією високої температури та тиску і застосування спеціальних дуттьових сумішей двошарової штучноствореної оболонки дає можливість створити контрольоване обвалення порід. Що є основою для ке- рування гірським тиском та забезпечення необхідного простору для проход- ження газових потоків через газогенератор. Результати тестових та шахтних експериментальних досліджень. Перевір- ка результатів аналітичного моделювання проводилася на двох стендових уста- новках, що були виконані для умов шахт Західного Донбасу, Соленівського ро- довища (Україна) і Нижньо-Сілезького промислового регіону (Польща), та на експериментальній шахті «Барбара» (Міколув, Польща) [1, 2 та ін.]. Стендові установки були розроблені співробітниками Національного гірни- чого університету та Головного інституту гірництва (м. Катовіце, Польща). Ці роботи виконувалися у рамках реалізації спільних міжнародних науково- дослідних проектів і госпдоговірної тематики на замовлення компаній ДТЕК та ПрАТ «Донецьксталь – металургійний завод». Узагальнена схема моделі підзе- много газогенератора складалася із чотирьох систем (рис. 1): - роздільної й змішаної подачі дуттьової суміші; - самого геореактора; - видачі продуктів газифікації та їх утилізації; - контролю температури і складу вхідної та вихідної газових сумішей. Рисунок 1 - Технологічна схема стендової установки підземної газифікації вугілля ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 229 Технологічну схему тестової установки для гірничо-геологічних умов шахти «Барбара» (м. Міколув, Польща) наведено на рис. 2. Її було виконано у вигляді мо- делі з загальними розмірами 15000×31000×14000 мм. У вугільний пласт роздільно нагніталися кисень (активація процесу газифікації), водяна пара (забезпечення ро- бочого режиму) та повітря. Рисунок 2 - Аксонометрична проекція технологічної схеми стендової установки із газифікації вугілля Герметичність газогенератора забезпечувалася спеціальним виконанням скла- дових елементів, із яких було споруджено газогенератор. Вони були обладнані спе- ціальними пазами, в які достатньо щільно входили будівельні елементи стінок. Кін- цева ізоляція забезпечувалася покриттям як зсередини, так і ззовні глиняноцемент- ним розчином. Проведена симуляція вугільного пласта суттєво відрізнялася від існуючих тех- нологій, оскільки його будова була змодельована із двох окремих блоків, що поєд- нувалися між собою вугільноцементним розчином. При протіканні процесу газифі- кації дана обставина також враховувалася при обробці кінцевих результатів. Графі- ки змінності загальної кількості кисню та водяної пари у дуттьовій суміші під час експерименту наведено на рис. 3 і 4. Застосування пари у роботі газогенератора мало на меті забезпечити два ос- новні завдання: - орієнтація підземної газифікації на максимальне отримання газу водню; - формування штучноствореної оболонки оплавлених порід для ефективного керування гірським тиском. Аналіз температурного поля провадився двома способами: аналітично та практично – за допомогою термопар, що покривали усю площу газифікації. По- ле максимальних температур знаходилось у межах термопар № 1 і №2 (див. рис. 2), що призвело до максимального їх навантаження на гранично допустимі навантаження та виходу їх із ладу. Тому для відображення показників роботи газогенератора була проведена інтерпретація отриманих результатів за показ- никами інших термопар по площі установки відповідно до зони дії реакційного каналу. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 230 Рисунок 3 - Графік зміни кількості поданого кисню під час проведення експерименту для активізації процесу газифікації Рисунок 4 - Графік зміни кількості поданого водяної пари у геореактор – формування робочої фази газифікації Аналітичне встановлення абсолютних величин ентальпії гірського ма- сиву та розрахунку двошарової штучноствореної оболонки. Формування штучних оболонок навколо підземних газогенераторів здійснюється у два ета- пи: створення штучноствореної оболонки оплавлених порід, яка знаходиться безпосередньо над осередком газифікації, та створення порід зі зміненими ме- таморфічними властивостями у глибині масиву. Кожна з цих оболонок відіграє важливу роль при керуванні гірським тиском та встановленні необхідного кро- ку опускання порід покрівлі для проходження вхідної і вихідної дуттьовоїих сумішей. Перша оболонка формується на незначну глибину від декількох міліметрів до десятків сантиметрів. Вона слугує захисним екраном від впливу відкритого високотемпературного розжареного поля і забезпечує зміну метаморфічних ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 231 властивостей. Це стосується не лише глиновмісних порід, які під дією високих температур мають можливість збільшувати свої міцнісні характеристики у де- кілька раз, але й самого вугілля. Крім цього, даний процес необхідний для ство- рення ізолюючого шару, який запобігає міграції газів по масиву порід та забез- печує максимальну герметичність системи тестового геореактора. Витіснення води із масиву окрім формування підвищення ступеня метамор- фізму при подальшому нагріванні викликає деструкцію масиву. Тому процес формування штучної двошарової оболонки є надзвичайно складним. Одразу пі- сля запуску геореактора система піддається дії підігрітої пари, яка проходить через усю зону газифікації, і при контакті з вугіллям чи боковими породами під дією температур поступово призводить до їх оплавлення. При цьому необхідно забезпечити рівномірність омивання каналу газифікації дуттьовою сумішшю і забезпечення відповідних температур у каналі. За допомогою випалювання фо- рмується перший шар оболонки, в результаті чого вугільна поверхня чи повер- хня глиновмісних порід оплавляється і перетворюється на достатньо тверду су- бстанцію. Температура на цьому етапі знаходиться у межах робочих значень 900 – 1200 о С. Надалі підвищується температура в зоні запалення вугільного пласта спосо- бом активізації дуттьової суміші киснем, а у в зоні витоку із геореактора вона зменшується. Схема формування першого шару штучноствореної оболонки оплавлених порід, виконаних на стендовій установці, імітувала умови шахти «Барбара» (Польща) і була проведена у рамках реалізації проекту HUGE: Hy- drogen oriented underground coal gasification for Europe [1]. Виконання подальшої активізації процесу газифікації проводиться шляхом збільшення вмісту кисню у дуттьовій суміші та доведення температурного ре- жиму до 1600 ° С. При цьому відбувається формування термічного поля шляхом імпульсної подачі суміші газів у зону реакції. Залежно від типу газифікації та її орієнтації на кінцеву продукцію для виведення газогенератора на робочу поту- жність й отримання температурного поля у межах 900 – 1200 о С до системи до- дають повітряноводяну (скраплена пилеподібна вода), пароповітряноводяну суміш чи суміші із добавлянням вуглекислого газу. Як було зазначено вище, при подачі води на розпечену поверхню вугільного пласта чи на оточуючі гео- реактор породи відбувається оплавлення контактних поверхонь, а також розк- ладання її на складові елементи. За необхідності активізації процесу (температура знижується до нижньої допустимої межі у 900 ° С) у дуттьовій суміші збільшують вміст кисню. Для ава- рійної зупинки газогенератора використовують газоподібний азот. На робочому етапі газифікації температурне поле розширюється в глибину масиву, формуючи другий шар штучноствореної оболонки. Деформаційні хара- ктеристики цієї оболонки визначатимуть крок обвалення порід покрівлі під час руху геореактора вздовж виїмкового стовпа. Термопередача між елементами гірського масиву відбувається на основі принципів кавітаційного та кондукційного теплообмінів. Її розрахунок буде аналогічним будь-якому теплообміннику, який має контакт із зовнішнім сере- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 232 довищем (Лавров, 1957). Розрахункова схема теплообміну наведена на рис. 5. Рисунок 5 - Розрахункова схема теплообміну в межах зони впливу підвищених температур від геореактора: T0, z0, Tк, zк – відповідно вхідні та вихідні значення температур та дуттьового еквіваленту Виходячи із проведених аналітичних, лабораторних та тестових досліджень, бу- ла прийнята схема до розрахунку теплообмінника, що найбільш точно характеризує розподіл температурного поля в зоні впливу гереактора (рис. 5). За початок системи відліку прийнята зона максимальних окислювальних реакцій, що знаходиться на відстані близько 10 м від устя реакційного каналу. Величина температурного поля t змінюється від максимальних значень T0 до мінімальних Tк, що знаходяться на ви- тоці з геореактора зі зміною нагріваючих температур по довжині каналу Tі. Значен- ня дуттьового еквіваленту (добуток витрати температури по довжині реакційного каналу на питому теплоємність) змінюється від початкових значень z0 до кінцевих – zк, зі зміною цих показників по довжині каналу zі. Ефективність нагріву гірського масиву характеризується ступенем регенерації еі. Для визначення цієї величини не- обхідно розглянути низку вихідних даних, що характеризують зміну розповсю- дження термічного поля вглиб гірського масиву. Зміна розповсюдження температур в глибину масиву отримаємо шляхом дифе- ренціювання температур по довжині розповсюдження термічного поля: di dT T i i  ' . Кожна ділянка гірського масиву характеризується певною площею Fi та коефі- цієнтом теплопередачі чи ентальпії δ. В сторону від реакційного каналу температу- рне поле прагне досягнути природних значень температур. Якщо прийняти їх за нульові, то співвідношення zіdi/z0 теж буде дорівнювати 0. Відповідно, ступінь ре- генерації еі можна визначити за виразом: )( 1    i i z Fk i ee . Тоді для розподілу температур по системі нагрівання буде справедливим вираз: di z zeTT dT iii i 0 0 )(   . ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 233 Позначивши P z ze ii  0 , отримаємо диференційне рівняння: 0 ' TPTPT ii  . Розв’язком цього рівняння буде функція, що характеризує температуру на відстані і від зони газифікації:       cdieTPiP i iP eT )( 0)( , ° С , де с – емпіричний коефіцієнт, що характеризує зміну температурного поля ви- ходячи із конкретних гірничо-геологічних умов проведення газифікації. Середнє значення температури по довжині реакційного каналу складе j T T i icp   , ° С , де j – кількість точок, прийнятих до аналізу температурного поля. Відповідно, температура на виході із геореактора складатиме: P icpicpк eTTTT  )( 0 , ° С . Ступінь регенерації на кінцевому відрізку нагріваючої зони геореактора складе: )( 0 0 1 )( )( Р іср к к е ТТ ТТ e     . Результати досліджень поля температур і відповідно сформованої оболонки оплавлених порід наведено у табл. 1 та на рис. 6. Таблиця 1. Результати досліджень товщини оболонки від поля температур Параметр Значення параметра Тиск дуттьової суміші, Р, МПа 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Значення температури, ° С 860 89 7 920 925 93 0 876 92 4 955 969 97 0 900 96 0 992 101 2 10 21 917 99 0 100 5 105 7 10 63 944 10 25 107 2 109 0 11 00 Товщина штучноствореної оболонки оплавлених порід, δ, м 0,05 0,1 0 0,1 5 0,2 0 0,2 5 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 234 1 – 5 – варіація тиску (1 – 0,1 МПа; 2 – 0,2 МПа, 3 – 0,3 МПа, 4 – 0,4 МПа, 5 – 0,5 МПа) Рисунок 6 - Характер розповсюдження ентальпії порід при різній товщині штучноствореної оболонки оплавлених порід У загальному вигляді дана залежність з високим ступенем збіжності матиме вигляд: 32 2 1 aaaT   , де а1 – а3 – емпіричні коефіцієнти, що залежать від тиску дуттьової суміші у ге- ореакторі. Отримані залежності вказують на можливість варіювати товщиною штучно- створеної оболонки оплавлених порід від 0,05 до 0,25 м з метою встановлення величин деформацій гірського масиву над вигазованим простором газогенера- тора. Таким чином забезпечується раціональний крок обвалення порід від дже- рела газифікації. Це дає можливість формувати штучностворену оболонку оплавлених порід із підвищеними механічними властивостями для ефективного керування станом гірського масиву при вигазовуванні вугільного пласта. Встановлення кроку обвалення гірських порід. Встановлення абсолют- них величин кроку обвалення виконувалися на полігоні шахти «Барбара» та те- стовій установці, розробленій у Національному гірничому університеті, що дає можливість також відтворювати гірничо-геологічні умови слабометаморфізова- них гірських порід. В основу промислового визначення кроку посадки порід покрівлі закладено принцип руху газоповітряних сумішей, в основі якого лежить рівняння стану ідеального газу (рівняння Клапейрона-Менделєєва) [3]: PV = nRT, (1) ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 235 де n – число молей газу; P – тиск газоповітряної суміші; V – об’єм газу (у літ- рах); T – температура газу (у Кельвінах); R – газова стала (0,0821 л·Атм/моль·K). Виразивши (1) через молярну масу суміші газів, отримаємо: TR M m VP  , де m – маса газу (кг); M – молярна маса газу, кг/моль. Враховуючи, що у нашому випадку, витрата суміші газів є добутком швид- кості на площу поперечного перерізу свердловин та реакційного каналу, отри- маємо залежність SvQ  , м 3 /с, де v – швидкість руху дуттьової суміші, м/с; S – площа поперечного перерізу. У спрощеному вигляді під час руху дуттьової суміші по каналах газифікації дана залежність отримає вигляд: 332211 SvSvSvQ  м 3 /с, де v1, v2, v3, S1, S2, S3 – параметри швидкості руху дуттьової суміші та площі по- перечного перерізу відповідно для подавальної свердловини, реакційного кана- лу та відвідної свердловини. Виразивши площі через відповідні геометричні розміри, отримаємо: 44 2 3 32 2 1 1 d vlmv d vQ к      м 3 /с, де d1, d3 – діаметри відповідно подавальної та відвідної свердловин; m – потуж- ність пласта, що газифікувався; lк – крок посадки покрівлі. З урахуванням зміни температур на вході та виході з характерної ділянки га- зогенератора отримаємо, що крок посадки покрівлі може бути визначений за виразом: 22 3 2 33 22 1 2 11 44 Tvm Tdv Tvm Tdv lк        м 3 /с, де ΔТ1, ΔТ2, ΔТ3 – перепад температур відповідно у дуттьовій, газовідвідній свердловинах та у геореакторі. Тому для визначення кроку посадки покрівлі при підземній газифікації дуже важливим є витрата повітря по всій зоні газифікації. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 236 Висновки. Свердловинна підземна газифікація є однією із перспективних якісно нових радикальних технологій видобування вугілля. Межі її застосуван- ня визначаються виходячи із керування фізико-хімічними реакціями, всесто- роннього обґрунтування технологічних параметрів, режимів подачі дуттьової суміші та встановлення матеріально-теплового балансу. При тиску у геореакто- рі на рівні 1,1 – 1,5 Атм (процес на межі газифікації та підземного спалювання вугілля) технологічність процесу забезпечується комбінованою подачею дут- тьової суміші під тиском та відсмоктуванням газів із зони реакції. У геореакторі при підземній газифікації вугілля температурний режим змі- нюється від 900 до 1200°С за параболічною залежністю під керованим впливом пульсуючого пароповітряного дуття у межах тиску від 0,1 до 0,5 МПа. Це до- зволяє змінювати товщину штучно створеної оболонки оплавленої породи від 0,05 до 0,25 м з метою керування станом гірського масиву над вигазованим простором газогенератора. Входячи із отриманих залежностей крок обвалення порід від вогнища (осе- редку) газифікації збільшується зі збільшенням товщини оплавленої штучност- вореної оболонки за параболічною залежністю аналогічно формуванню товщи- ни штучно створеної оболонки оплавленої породи. Урахування цієї залежності дає можливість забезпечити стійкий процес газифікації тонких та вельми тон- ких вугільних пластів. _______________________________________________ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Falshtynskiy, V. Geomechanical model of rockmass containing gas-generator and its industrial esti- mation. Scientific Reports on Resource issues / V. Falshtynskiy, R. Dichkovskiy // Mechanical Charakteris- tics of Rock: International University of Resources: Medienzertrum der TU Bergakademie Freiberg. – 2010. – Vol. 2. – pp. 192 – 204. 2. Bondarenko, V.I. Synthetic Stowing of Rockmass at Borehole Underground Coal Gasification (BUCG). Deep Mining Challenges / V. I. Bondarenko, V. S. Falshtynskiy, R.O. Dichkovskiy // Mining In- ternational Mining Forum − London / Leiden / New York/ Philadelphia/ Singapore: A.A. Balkema Publish- ers, 2009. – pp. 169 − 179. 3. Kolokolov, O.V. Progressive Schemes of Undergraund Gasproduker Encapsulation / O.V.Kolokolov, V.S. Falshtinsky, N.M. Tabatchenko // Geotehnological Issues of Undergraund Space Use for Environmentally Protested World 2001. - Dnipropetrovsk: NMUU, 2001.– pp. 83 − 86. REFERENCES 1. Falshtynskyy, V. and Dichkovskiy, R. (2010), «Geomechanical model of rockmass containing gas- generator and its industrial estimation. Scientific Reports on Resource issues», Mechanical Charakteristics of Rock: International University of Resources: Medienzertrum der TU Bergakademie Freiberg, Vol. 2, pp. 192 – 204. 2. Bondarenko, V.I., Volodymyr S. Falshtynskiy, V.S. and Dichkovskiy, R.O. (2009), «Synthetic Stow- ing of Rockmass at Borehole Underground Coal Gasification (BUCG). Deep Mining Challenges», Mining International Mining Forum, London / Leiden / New York/ Philadelphia/ Singapore: A.A. Balkema Publish- ers, pp.. 169 − 179. 3. Kolokolov, O.V., V.S. Falshtinsky, V.S. and Tabatchenko, N.M. (2001), «Progressive Schemes of Undergraund Gasproduker Encapsulation», Geotehnological Issues of Undergraund Space Use for Environ- mentally Protested World 2001, NMUU, Dnipropetrovsk, pp. 83 − 86. _____________________________________________ Про автора Дичковський Роман Омелянович, доктор технічних наук, професор кафедри підземної розробки родовищ, начальник науково-дослідної частини Державного вищого навчального закладу «Націо- нальний гірничий університет» МОН України, Дніпропетровск, Україна, dichre@yahoo.com ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 237 About the author Dichkovskiy Roman Omelianovych, Doctor of Technical Sciences (D. Sc), Professor, Department of Underground Mining, Head of the Research and Science Department, National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine, dichre@yahoo.com ____________________________________________________ Аннотация. Изложены результаты установления напряженно-деформированного состо- яния горного массива, толщины двухслойной искусственно созданной оболочки и шага об- рушения пород для обеспечения управления горным массивом в зоне выполнения скважин- ной подземной газификации угля. Обеспечено необходимую устойчивость контура геореак- тора и необходимого пространства для прохождения газовых смесей. Предложено математический механизм определения теплообмена в породах при вариа- ции составом дутьевой смеси и изменении ее давления. Проведение аналитических исследо- ваний основывалось на схеме теплообменника, наиболее точно характеризуещего распреде- ление температурного поля в зоне влияния гереактора. Формирование искусственных оболо- чек в поле подземных газогенераторов осуществлялось в два этапа через оболочку оплавлен- ных пород, которая находится непосредственно над очагом газификации, и созданием пород с измененными метаморфическими свойствами в глубине массива. Перемещение пород исследовались на тестовых установках с помощью специальных датчиков. Численный анализ использовано для определения напряженно-деформированного состояния пород на основе термо-упруго-пластического модели деформационной среды. Для построения обобщающих зависимостей использован метод множественной регрессии и при- менены общепризнанные системы обработки данных таблиц Excel-2013.. Ключевые слова. Двухслойная искусственно созданная оболочка, дутьевая смесь, ге- ореактор, шаг обрушения пород, управления горным давлением Abstract. The results establishing the stress-strain state of the rock-mass, the thickness of the artificially created bilayer shell and rocks movement to manage massif in the zone of conducting the well underground coal gasification are presented. It was developed the appropriate resistance of the gas-gen circuit and necessary space for the passage of gas mixtures. The mathematical mechanism for determining the heat variations in the composition of rocks at blowing mixtures and change of its pressure is given. Analytical studies based on the heat- exchanging scheme, that accurately describes the distribution of the temperature field in the zone of gas-gen are done. Forming the artificial shells in the area of underground gas generators was carried out in two stages through the shell melted rocks, located directly above the center of gasification and the creation of metamorphic rocks with altered properties in the depths of the rock-mass. It was detected the movement of rocks studied on the test unit with special sensors. Numerical analysis used to determine the stress-strain state of rocks based on thermo-elastic-plastic defor- mation model. To construct synthesis dependencies used multiple regression method and applied universally data processing system tables Excel-2013. Keywords. Bilayer artificially formed shell, blowing mixture, gas-gen, step of rocks collapse, rock stresses control. Статья поступила в редакцию 1.06.2015 Рекомендовано к печати д-ром техн. наук К.К. Софийским

До питання керування гірським тиском при свердловинній підземній газифікації вугілля

Institution

Ähnliche Einträge