Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов

Статья направлена на разработку математической модели переноса тепла в подземных водах, насыщающих покрывающие породы угольного пласта при его подземном сжигании. Кроме того, в задачу исследований входило установление динамики формирования гидротермических полей в водоносном горизонте, залегающем...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Садовенко, И.А., Инкин, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2015
Назва видання:	Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137827
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:	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов / И.А. Садовенко, А.В. Инкин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 120. — С. 161-171. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-137827
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1378272018-06-18T03:10:47Z Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов Садовенко, И.А. Инкин, А.В. Статья направлена на разработку математической модели переноса тепла в подземных водах, насыщающих покрывающие породы угольного пласта при его подземном сжигании. Кроме того, в задачу исследований входило установление динамики формирования гидротермических полей в водоносном горизонте, залегающем над реакционным каналом. Разработанная математической модель основана на установление теплового баланса в объеме водоносной толщи, расположенном непосредственно над нагреваемым водоупором. Вычислительная реализация модели была выполнена с помощью программы ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для горно-геологических условий участка «Ольхово нижнее» Донецкого бассейна получены параметры изменения размеров и формы тепловых аномалий, формирующихся в водопроницаемых породах над кровлей угольного пласта в зависимости от угла его падения и стадии сжигания. Результаты исследований позволяют оценить конфигурации термальных зон, отражающие течение воды в обводненных породах кровли угольного пласта и могут использоваться для установления оптимальных периодов отбора нагретых вод из водоносного горизонта. Полученные результаты также могут быть применены для определения эксплуатационных запасов термальных вод и параметров геотехнологии их отбора. Стаття спрямована на розробку математичної моделі перенесення тепла в підземних водах, які насичують покриваючі породи вугільного пласта при його підземному спалюванні. Крім того, в завдання досліджень входило встановлення динаміки формування гідротермічних полів у водоносному горизонті, що залягає над реакційним каналом. Розроблена математична модель ґрунтується на встановленні теплового балансу у об'ємі водоносної товщі, розташованому безпосередньо над водоупором, якій нагрівається. Обчислювальна реалізація моделі була виконана за допомогою програми ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для гірничо-геологічних умов ділянки «Ольхове нижнє» Донецького басейну отримано параметри зміни розмірів і форми теплових аномалій, що формуються у водопроникних породах над покрівлею вугільного пласта залежно від кута його падіння і стадії спалювання. Результати досліджень дозволяють оцінити конфігурації термальних зон, які відбивають течію підземних вод в породах покрівлі вугільного пласта, і можуть використовуватися для встановлення оптимальних періодів відбору нагрітих вод з водоносного горизонту. Отримані результати також можуть бути застосовані для визначення експлуатаційних запасів термальних вод і параметрів геотехнології їх відбору. The article presents a mathematical model of heat transporting in the groundwaters which saturate cap rocks of the coal seam when the latter burns. The study task was to explain dynamics of hydrothermal fields formation in the aquifer overlying the reaction channel. The designed mathematical model is based on the established heat balance in the volume of the aquifer located proximately above the heated confining layer. The model was computed by the ModFlow 2009 software (Schlumberger W.S.). Changing sizes and shapes of the thermal anomalies formed in permeable rocks above the coal seam roof depending on the angle of incidence and combustion stage were evaluated for the mining and geological conditions of the «Olkhovo Nizhneie» field in the Donetsk Basin. The study results allow assessing configurations of thermal zones, which reflect water flow in the flooded rocks over the coal seam roof. The results can be used to determine optimal periods for the heated water withdrawal from the aquifer and to evaluate operational reserves of thermal waters and geotechnological parameters for withdrawing of such waters. 2015 Article Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов / И.А. Садовенко, А.В. Инкин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 120. — С. 161-171. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137827 [622.278:662.66].001.57 ru 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	Russian
description	Статья направлена на разработку математической модели переноса тепла в подземных водах, насыщающих покрывающие породы угольного пласта при его подземном сжигании. Кроме того, в задачу исследований входило установление динамики формирования гидротермических полей в водоносном горизонте, залегающем над реакционным каналом. Разработанная математической модель основана на установление теплового баланса в объеме водоносной толщи, расположенном непосредственно над нагреваемым водоупором. Вычислительная реализация модели была выполнена с помощью программы ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для горно-геологических условий участка «Ольхово нижнее» Донецкого бассейна получены параметры изменения размеров и формы тепловых аномалий, формирующихся в водопроницаемых породах над кровлей угольного пласта в зависимости от угла его падения и стадии сжигания. Результаты исследований позволяют оценить конфигурации термальных зон, отражающие течение воды в обводненных породах кровли угольного пласта и могут использоваться для установления оптимальных периодов отбора нагретых вод из водоносного горизонта. Полученные результаты также могут быть применены для определения эксплуатационных запасов термальных вод и параметров геотехнологии их отбора.
format	Article
author	Садовенко, И.А. Инкин, А.В.
spellingShingle	Садовенко, И.А. Инкин, А.В. Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов Геотехнічна механіка
author_facet	Садовенко, И.А. Инкин, А.В.
author_sort	Садовенко, И.А.
title	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов
title_short	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов
title_full	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов
title_fullStr	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов
title_full_unstemmed	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов
title_sort	моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137827
citation_txt	Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов / И.А. Садовенко, А.В. Инкин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 120. — С. 161-171. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT sadovenkoia modelirovaniegidrogeotermičeskihpolejpripodzemnomsžiganiiugolʹnyhplastov AT inkinav modelirovaniegidrogeotermičeskihpolejpripodzemnomsžiganiiugolʹnyhplastov
first_indexed	2025-07-10T04:33:48Z
last_indexed	2025-07-10T04:33:48Z
_version_	1837233113885835264
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 161 УДК [622.278:662.66].001.57 Садовенко И.А., д-р техн. наук, профессор Инкин А.В., канд. техн. наук, доцент (Государственное ВУЗ «НГУ») МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СЖИГАНИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Садовенко І.О., д-р техн. наук, професор Інкін О.В., канд. техн. наук, доцент (Державний ВНЗ «НГУ») МОДЕЛЮВАННЯ ГІДРОГЕОТЕРМІЧНИХ ПОЛІВ ПРИ ПІДЗЕМНОМУ СПАЛЮВАННІ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ Sadovenko I.A., D. Sc. (Tech.), Professor Inkin A.V., Ph.D. (Tech.), Associate Professor (State HEI «NMU») MODELING OF HYDROGEOTERMAL FIELDS AT UNDERGROUND COMBUSTION OF THE COAL SEAMS Аннотация. Статья направлена на разработку математической модели переноса тепла в подземных водах, насыщающих покрывающие породы угольного пласта при его подземном сжигании. Кроме того, в задачу исследований входило установление динамики формирова- ния гидротермических полей в водоносном горизонте, залегающем над реакционным кана- лом. Разработанная математической модель основана на установление теплового баланса в объеме водоносной толщи, расположенном непосредственно над нагреваемым водоупором. Вычислительная реализация модели была выполнена с помощью программы ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для горно-геологических условий участка «Ольхово нижнее» Донецко- го бассейна получены параметры изменения размеров и формы тепловых аномалий, форми- рующихся в водопроницаемых породах над кровлей угольного пласта в зависимости от угла его падения и стадии сжигания. Результаты исследований позволяют оценить конфигурации термальных зон, отражаю- щие течение воды в обводненных породах кровли угольного пласта и могут использоваться для установления оптимальных периодов отбора нагретых вод из водоносного горизонта. Полученные результаты также могут быть применены для определения эксплуатационных запасов термальных вод и параметров геотехнологии их отбора. Ключевые слова: подземное сжигание угля, водоносный горизонт, теплоперенос, моде- лирование. ВВЕДЕНИЕ. По оценкам ведущих нефтегазовых компаний, начало ХХI века ознаменовалось значительным увеличением доли угля в топливно- энергетическом балансе ряда стран мира [1, 2]. Рост его потребления был вы- зван, с одной стороны, ограниченностью запасов нефти и природного газа, а также перемещением разрабатываемых месторождений в труднодоступные районы, с другой стороны, проблемами безопасности атомных электростанций и высокими затратами на захоронение радиоактивных отходов. ________________________________________________________________________________ © И.А. Садовенко, А.В. Инкин, 2015 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 162 Вместе с тем, увеличение добычи и переработки угля традиционными спо- собами привело к превращению угледобывающих регионов в зоны экологиче- ского бедствия. Так, работа небольшой угольной электростанции мощностью 200 МВт сопровождается ежегодным выбросом в атмосферу 100 тыс. т твердых частиц, 15 тыс. т сернистых соединений и 2 тыс. т окислов азота [3, 4]. Расширение сферы использования угольных ресурсов возможно путем их преобразования на месте залегания в экологически более чистый газообразный энергоноситель. Наиболее технически освоенным процессом такой переработки является подземное сжигание угля (ПСУ). Однако, несмотря на почти вековой научно-промышленный опыт развития, оно до сих пор не получило широкого распространения ввиду значительного рассеивания вырабатываемой тепловой энергии в породном массиве [5, 6]. Для повышения КПД данной технологии в работе [7] уже была установлена возможность отбора и количественная характеристика теплового потока посту- пающего из реакционного канала в выше залегающий водоносный горизонт. Целью данной работы является количественный анализ пространственно- временной динамики формирования гидрогеотермических полей, образующих- ся в водоносном пласте при сжигании угля. Это позволит обосновать рацио- нальные технологические параметры извлечения тепла из откачиваемых нагре- тых вод. МЕТОДИКА. Двумерная в плане миграция тепла в подземных водах описы- вается уравнениями приведенными в работе [8]. Принципиально важным эта- пом разработки модели является корректная формулировка граничного условия по температуре на подошве водоносного горизонта над реакционным каналом. Для определения температуры подземных вод в данной части водоносного пла- ста выделяется объемный блок малой толщины в виде параллелепипеда, распо- ложенный непосредственно над нагретым водоупором, где происходит тепло- обмен (рис. 1). Рисунок 1 – Схема баланса тепла в блоке водоносного пласта над кровлей реакционного канала при сжигании угля Баланс тепла в блоке определяется на основании равенства потока тепла ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 163 снизу от реакционного канала (Q0) трем составляющим: конвективному выносу тепла фильтрационным потоком (Q2), убыли тепла в результате замещения теп- лой воды холодной (Q1), кондуктивного потока тепла вверх (Q3), а также тепла, затрачиваемого на изменение температуры подземных вод и горных пород не- посредственно в блоке. При учѐте баланса тепла в блоке приняты следующие допущения: 1) баланс тепла определяется для последовательности периодов (например, длительно- стью 1 сут), в течение каждого из которых теплофизические параметры осред- няются; 2) боковая теплоотдача из блока не учитывается, поскольку она на по- рядок меньше теплоотдачи через его верхнюю границу; 3) коэффициенты гра- ничного условия задачи теплопереноса определяются на основе предваритель- но рассчитанного поля скоростей фильтрации; 4) температура в блоке осредня- ется по ее начальным и конечным значениям в каждый период; 5) температура воды и породы в блоке одинакова и выравнивается условно мгновенно при вте- кании и вытекании воды с разной температурой. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. При сделанных допущениях изменение темпе- ратуры воды и пород в блоке определяется уравнением баланса тепла: BTTQQQQ  )( 013210 , (1) где пппwww VсVcB   , (2) yxqQ 0 , (3) cwATQ 1 , cwww TcVzyA   (4) 2 01 2 TT AQ   , (5) ) 2 () 2 ( 0101 3 cwcw T TT DT TT z yxQ        . (6) где Тcw – фоновая температура воды в водоносном горизонте (температура хо- лодной воды); Т0, Т1 – соответственно температура воды и пород в блоке сетки размерами ΔхΔуΔz в начале и в конце периода времени осреднения  ; q – мощ- ность теплового потока от реакционного канала; V – скорость фильтрации;  – теплопроводность водоносного пласта; www Vc – соответственно плотность, те- плоемкость и объем воды в блоке; ппп Vс – плотность, теплоемкость и объем пород в блоке. Подставляя выражения (2)-(6) в (1), получим 2/2/ )2/()( 00 1 DAB ВТTTDAQ T cw     . ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 164 Прибавим и вычтем из числителя   2 0T DA  , тогда 2/2/ )()( 0 01 DAB TTDAQ ТT cw     , (7) если рассчитывается временной ряд температур то 2/2/ )()( 1 1 DAB TTDAQ ТT cwii ii       , (8) где Ti – температура в блоке сетки в течение i-го периода осреднения. Изменение теплоемкости С и теплопроводности  водоносного пласта в за- висимости от температуры Т выражается следующими уравнениями [9] )20(1.020  TnCCп (9) )1/( 2020 Т  (10) где С20, 20 – соответственно теплоемкость и теплопроводность водоносных пород в нормальных условиях (при Т = 20С); n,  – постоянная (зависящая от типа пород) и поправочный коэффициент соответственно. Изменение коэффициента фильтрации в зависимости от температуры воды учитывается изменением вязкости воды μ (Па·с) μ = 0,000183/(1 + 0,0337Т + 0,000221Т 2 ) (11) В результате последовательных расчетов по формуле (8) можно определить переменную во времени температуру, которая задается в блоке конечно- разностной сетки при численном моделировании. В остальных блоках над во- доупором вне реакционного канала задаются нулевые потоки тепла и воды. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Коэффициенты граничных условий были определены по формуле (8) в программе Mathcad для горно- геологических условий участка «Ольхово нижнее», расположенного в пределах Чистяково-Снежнянского угленосного района Донецкого бассейна. Камено- угольные отложения данной территории (рис. 2) представлены смоляниновской свитой (С2 3 ), в разрезе которой между отрабатываемыми угольными пластами h8 и h11 развиты несколько нерабочих угольных пластов (h9, h10 н , h10 1 ) с углами падения от 10 до 30 ° [10]. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 165 1, 2 – соответственно рабочие и нерабочие угольные пласты; 3 – водоносный горизонт, нагреваемый при сжигании угля Рисунок 2 – Литолого- стратиграфический разрез Смоляниновской свиты Данные пласты имеют простое строение и повсеместное распространение в пределах выде- ленного участка. Угли относятся к антрацитам (W а = 2.5%, А с = 17%, Sоб с = 1.8%). Для свиты С2 3 характерно развитие обводненной толщи «баба- ковских» песчаников h10Sh11 мощностью 50-60 м, залегающих выше угольного пласта h10 1 . В пре- делах этой толщи подземные воды имеют гидро- карбонатно-кальциевый состав с минерализаци- ей до 3 г/л и не используются для питьевого во- доснабжения. Учитывая требования, предъяв- ляемые к угольным пластам, отрабатываемым способом ПСУ [5] и фактические данные о строение участка, можно считать, что на данной территории оптимальным будет разработка угольного пласта h10 1 с использованием в каче- стве теплоносителя воды песчаников h10Sh11. На рис. 3 приведены результаты расчета тем- пературы блока обводненных песчаников, зале- гающих над сжигаемым угольным пластом при различных скоростях фильтрации подземных вод, соответствующих периодам отбора, простоя и закачки воды в условиях участка «Ольхово нижнее»: Тcw =12°C; Δх = Δу = 25 м; Δz = 1 м;  = 1 сут; 20 = 1,07 Вт/м· ° C; п = 1900 кг/м 3 ; n = 2,33;  = 10 -3 м/Вт; С20 = 900 Дж/кг· 0 C; Vп = 500 м 3 ; Vw = 125 м 3 ; Сw = 4182 Дж/кг·°C; w = 1000 кг/м 3 Величина теплового потока q, поступающего из реакционного канала в водоносный горизонт, рассчитывалась по методике [7] при мощности водоупора 5 м. Значение скоростей фильтрации подземных вод V было определено в результате решения гидродинамической задачи методом численного моделирования в программе ModFlow 2009. Моделирование теплопереноса было выполнено для «бабаковской» водоносной толще при закачке и отборе теплоносителей в течение одного года. Для решения поставленной задачи использовалась разработанная и протес- тированная в [8] численная модель с нестацио- нарными источниками воды и тепла, лозволяю- щая описывать переходные режимы. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 166 1 –V=0,92 м/сут (природный режим фильтрации); 2 – V=1,13 м/сут (закачка воды в пласт); 3 – V=1,45 м/сут (отбор подземных вод) Рисунок 3 – Изменение температуры пород водоносного горизонта непосредственно над кровлей сжигаемого угольного пласта с углом падения 10 ° Предложенная модель позволяет определять количество отбираемого тепла в зависимости от скорости фильтрации воды в пласте, его наклона, мощности, расположения скважины относительно реакционного канала, нестационарного характера тепловыделения и т.д. Дебит скважины, пробуренной до подошвы водоносного горизонта, принимался в соответствии с годовой динамикой по- требления тепловой энергии жилищно-коммунальным сектором: 0-30 сут (сжи- гание угольного пласта); 30-180 сут (отбор теплоносителя в холодное время го- да с дебитом 200 м 3 /сут); 180-245 сут (простой); 245-335 сут (закачка воды в пласт летом с расходом 333 м 3 /сут); 335-365 сут (подготовительные работы). На рис. 4, 5 приведены размеры и формы гидрогеотермических полей, возникаю- щих в «бабаковских» водоносных песчаниках при сжигании угольного пласта h10 1 в различные периоды времени. Анализируя полученные результаты можно отметить тесную а – они распо- лагаютсявзаимосвязь между температурой водоносного горизонта, скоростью фильтрации подземных вод и углом наклона пласта. Конфигурация изотерм не совпадает с изогипсами водоносного горизонтвать переходные режимы. Предложенная модель позволяет определять количество отбираемого тепла в зависимости от скорости фильтрации воды в пласте, его наклона, мощности, расположения скважины относительно реакционного канала, нестационарного характера тепловыделения и т.д. Дебит скважины, пробуренной до подошвы водоносного горизонта, принимался в соответствии с годовой динамикой по- требления тепловой энергии жилищно-коммунальным сектором: 0-30 сут (сжи- гание угольного пласта); 30-180 сут (отбор теплоносителя в холодное время го- да с дебитом 200 м 3 /сут); 180-245 сут (простой); 245-335 сут (закачка воды в пласт летом с расходом 333 м 3 /сут); 335-365 сут (подготовительные работы). На рис. 4, 5 приведены размеры и формы гидрогеотермических полей, возникаю- щих в «бабаковских» водоносных песчаниках при сжигании угольного пласта h10 1 в различные периоды времени. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 167 Стрелками показаны направления течения подземных вод а), б) – по окончании сжигания угля (t = 30 сут) соответственно на высоте 1 и 3 м от водоупора; в) при завершении отбора нагретых вод (t = 180 сут); г) после последующего простоя (t = 245 сут); 1 – эксплуатационная скважина над реакционным каналом Рисунок 4 – Распределение уровня подземных вод (изогипсы) и их температуры (оттенки серого цвета) в водоносном горизонте, залегающем над угольным пластом при его отработке способом ПСУ Анализируя полученные результаты можно отметить теснуюпо отношению к реакционному каналу и вытягиваются по движению потока (рис. 4, а). Ореол нагретых вод постепенно растет вверх, приближаясь к кровле водоносного го- ризонта, и одновременно растекается по ней. При этом по мере удаления от во- доупора термические зоны в пласте снижают свою температуру и интенсивно перемещаются от теплового источника с разрывом тепловых аномалий (рис. 4, б). Расширение во времени области теплового воздействия происходит вслед- ствие конвективного переноса нагретых вод под влиянием природного потока, ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 168 а также под воздействием молекулярной (кондуктивной) теплопроводности. При этом конвективная составляющая теплопереноса имеет преобладающие значение в горизонтальном направлении, а кондуктивная – в вертикальном. По- сле ликвидации теплового источника (окончания сжигания угольного пла- ста, рис. 4 в, г) распространение теплового воздействия в подземных водах обу- словлено растеканием сформированного ранее ореола нагретых вод и рассеива- нием тепла в горном массиве. После завершения отработки угольного пласта способом ПСУ (рис. 5, а) максимум температурной аномалии (Т- Тcw) располагается в пределах блока во- доносных пород над реакционным каналом (х = 20 м). Рисунок 5 – Превышение температуры подземных вод в обводненных породах над кровлей угольного пласта при его сжигании по различным профилям (I – I, II – II, III – III и IV – IV) спустя t = 30 сут (а), t = 100 сут (б), t = 180 сут (в) и t = 245 сут (г), при угле падения водоносного горизонта: 1 – 10°; 2 – 20°; 3 –30° ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 169 По мере увеличения угла наклона водоносной толщи он медленно переме- щается по потоку подземных вод, при этом его максимальное значение умень- шается с 70 до 45°C. Наибольшие температуры подземных вод характерны для наиболее пологого водоносного пласта. Разницы температур нагретых и естест- венных подземных вод по профилю I – I при х = 70 м в пластах с углами паде- ния 10 и 20° соответственно равны 20 и 40°C, а при х = 100 м разницы темпе- ратур по тому же профилю в пластах с углами падения 20 и 30° равны 5 и 10°C. Таким образом, возникающие температурные аномалии не постоянны во вре- мени и в пространстве. Продвижение теплового фронта навстречу движению потока не происходит на всех этапах эксплуатации скважины, даже при отборе воды, что свидетельствует о преобладании конвективного теплопереноса над кондуктивным и указывает на необходимость увеличения дебита скважины, от- бирающей теплоноситель. ВЫВОДЫ. Разработана математическая модель для расчета теплопереноса в подземных водах, отражающая изменение их температуры в процессе сжигания угольного пласта и отбора теплой воды. Идентификация модели выполнена при гидрогеологических и теплофизических параметрах, соответствующих горно- геологическим условиям смоляниновской свиты Чистяково-Снежнянского уг- леносного района, пригодной для разработки способом ПСУ. Расчеты теплово- го баланса в блоке водоносной толщи, залегающей над реакционным каналом позволили оценить размеры и формы тепловых аномалий, формирующихся в обводненных породах кровли угольного пласта в зависимости от угла его паде- ния и стадии отработки. Размеры аномалий в течение одного года не превыша- ют 250 м в длину и 50 м в ширину. Превышение температуры над фоновой из- меняется от 20 0 до 70 0 С. Полученные конфигурации термальных зон отражают течение воды в обводненных песчаниках и могут использоваться для определе- ния мест отбора нагретых вод в разные периоды времени. Результаты исследований позволяют, обосновано подойти к определению эксплуатационных запасов нагретых вод и возможности их отбора при конкре- тизации геотехнологической схемы, которая предполагает закачку воды через систему нескольких скважин, с синхронизацией годового графика температур и периодов сжигания угольного пласта. __________________________________________________________________________________________________________ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Марьяненко, И. На рынке энергетического угля ожидается увеличение спроса и цен / И. Марь- яненко // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». – 2011. – №11. – [Электронный ресурс] – Режим доступа к журн.: http://www.esco.co.ua/journal/2011_11/art164.htm.– Загл. с экрана. 2. Круть, А.А. Водоугольное топливо – альтернатива природному газу и жидким нефтепродуктам / А.А. Круть // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – 2009. – Вып. 83. – С. 269-274. 3. Батурина, И.М. Горное дело и окружающая среда. Геодинамика недр / И.М. Батурина, И.М. Петухов, А.С. Батурин. – М.: МГГУ, 2009. –120 с. 4. Шевченко, Г.А. Разработка технологических решений по подготовке отходов горного произ- водства к утилизации / Г.А. Шевченко, В.Г. Шевченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – 2004. – Вып. 51. – С. 226-239. 5. Теория и практика термохимической технологии добычи и переработки угля ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 170 / Под. ред. О.В. Колоколова. – Днепропетровск: НГА Украины, 2000. – 281 с. 6. Стратов, В.Г. Комплексное освоение угольных месторождений, содержащих пласты крутого падения с их дегазацией и газификацией участков не пригодных к шахтной отработке / В.Г. Стратов, И.А. Стежко, Е.В. Гончаров // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украи- ны. – 2012. – Вып. 101. – С.85-96. 7. Садовенко, И.А. Численное исследование теплового поля вокруг подземного газогенератора / И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.В. Инкин // Збірник наукових праць НГУ. – 2012. – № 39. – С. 11-20. 8. Рудаков, Д.В. Моделирование теплопереноса в водоносном горизонте при аккумуляции и от- боре тепловой энергии / Д.В. Рудаков, И.А. Садовенко, А.В. Инкин // Науковий вісник НГУ. – 2012. – № 1. – С. 40-45. 9. Гончаров, С.А. Термодинамика / С.А. Гончаров– М: МГГУ, 2002. – 440 с. 10. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. Т. 1. Угольные бассейны и месторо- ждения юга Европейской части СССР / В.В.Лагутина, М.Л. Левенштейн, В.С. Попов [и др.]; под ред. И.А. Кузнецова. – М.: Госгеолтехиздат, 1963. – 1210 с. REFERENCES 1. Maryanenko, I. (2011), ―At the market of power coal the increase of demand and prices is expected‖, Electronic magazine energyservice company ―The Ecological systems‖, available at: http://www.esco.co.ua/journal/2011_11/art164.htm, (Accessed 17 January 2014). 2. Krut, A.A. (2009), ―Watercoal fuel is an alternative to natural gas and hydrocarbon oils‖, Geo- Technical Mechanics, no. 83, pp. 269-274. 3. Baturina, I.M., Petuhov, I.M. and Baturin, A.S. (2009), Gornoe delo i okruzhayuschaya sreda. Geodi- namika nedr [Mining business and environment. Geodynamics of bowels of the earth], MGGU, Moscow, Russia. 4. Shevchenko, G.A. and Shevchenko, V.G. (2004), ―Development of technological decisions on prepa- ration of wastes of mountain production to utilization‖, Geo-Technical Mechanics, no. 51, pp. 226-239. 5. Kolokolov, O.V. (ed.) (2000), Teoriya i praktika termohimicheskoy tehnologii dobyichi i pererabotki uglya [Theory and practice of thermo-chemical technology of booty and processing of coal], Natsionalnaya gornaya akademiya Ukrainyi, Dnepropetrovsk, Ukraine. 6. Stratov, V.G., Stezhko, I.A. and Goncharov, E.V. (2012), ―Complex mastering of coal deposits, con- taining the layers of the steep falling with their degassing and gasification of areas not suitable to the mine working off‖, Geo-Technical Mechanics, no. 101, pp. 85-96. 7. Sadovenko, I.A., Rudakov, D.V. and Inkin, A.V. (2012), ―Numeral research of the thermal field round an underground gazogene‖, ZbIrnik naukovih prats Natsionalnohо hirnychoho universyteta, no.39, pp. 11-20. 8. Rudakov, D.V., Sadovenko, I.A. and Inkin, A.V. (2012), ―Design heattransfer in aquiferous horizon at an accumulation and extraction of thermal energy‖, Naukovyi visnyk Natsionalnohо hirnychoho universytetu, no.1, pp. 40-45. 9. Goncharov, S.A. (2002), Termodinamika [Thermodynamics], MGGU, Moscow, Russia. 10. Lagutina, V.V., Levenshteyn, M.L. and Popov, V.S. (1963), Geologiya mestorozhdeniy uglya i go- ryuchih slantsev SSSR. Vol. 1. Ugolnyie basseynyi i mestorozhdeniya yuga Evropeyskoy chasti SSSR [Geolo- gy of deposits of coal and pyroshales of the USSR. Vol. 1. Coal pools and deposits of south of European part of the USSR], in Kuznetsov, I.A. (ed.), Gosgeoltehizdat, Moscow, SU. ––––––––––––––––––––––––––––– Об авторах Садовенко Иван Александрович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры гид- рогеологии и инженерной геологии, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (Государственное ВУЗ «НГУ»), Днепропетровск, Украина Инкин Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидрогео- логии и инженерной геологии, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (Государственное ВУЗ «НГУ»), Днепропетровск, Украина, inkin@ua.fm About the authors Sadovenko Ivan Aleksandrovich, D. Sc. (Tech.), Professor, Professor of the Department of geohydrology and engineering geology, State Higher Education Institution «National Mining University» (State Higher Education Institution «NMU»), Dnepropetrovsk, Ukraine Inkin Aleksandr Viktorovich, Ph.D. (Tech.), Associate Professor, Associate Professor Departments of geohydrology and engineering geology, State Higher Education Institution «National Mining University» ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №120 171 («NMU»), Dnepropetrovsk, Ukraine, inkin@ua.fm ––––––––––––––––––––––––––––– Анотація. Стаття спрямована на розробку математичної моделі перенесення тепла в пі- дземних водах, які насичують покриваючі породи вугільного пласта при його підземному спалюванні. Крім того, в завдання досліджень входило встановлення динаміки формування гідротермічних полів у водоносному горизонті, що залягає над реакційним каналом. Розроблена математична модель ґрунтується на встановленні теплового балансу у об'ємі водоносної товщі, розташованому безпосередньо над водоупором, якій нагрівається. Обчис- лювальна реалізація моделі була виконана за допомогою програми ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для гірничо-геологічних умов ділянки «Ольхове нижнє» Донецького басейну отримано параметри зміни розмірів і форми теплових аномалій, що формуються у водопроникних породах над покрівлею вугільного пласта залежно від кута його падіння і стадії спалювання. Результати досліджень дозволяють оцінити конфігурації термальних зон, які відбивають течію підземних вод в породах покрівлі вугільного пласта, і можуть використовуватися для встановлення оптимальних періодів відбору нагрітих вод з водоносного горизонту. Отримані результати також можуть бути застосовані для визначення експлуатаційних запасів термаль- них вод і параметрів геотехнології їх відбору. Ключові слова: підземне спалювання вугілля, водоносний горизонт, теплоперенесення, моделювання. Abstract. The article presents a mathematical model of heat transporting in the groundwaters which saturate cap rocks of the coal seam when the latter burns. The study task was to explain dy- namics of hydrothermal fields formation in the aquifer overlying the reaction channel. The designed mathematical model is based on the established heat balance in the volume of the aquifer located proximately above the heated confining layer. The model was computed by the ModFlow 2009 software (Schlumberger W.S.). Changing sizes and shapes of the thermal anomalies formed in permeable rocks above the coal seam roof depending on the angle of incidence and com- bustion stage were evaluated for the mining and geological conditions of the «Olkhovo Nizhneie» field in the Donetsk Basin. The study results allow assessing configurations of thermal zones, which reflect water flow in the flooded rocks over the coal seam roof. The results can be used to determine optimal periods for the heated water withdrawal from the aquifer and to evaluate operational reserves of thermal waters and geotechnological parameters for withdrawing of such waters. Keywords: underground coal firing, aquifer, heat transport, modeling. Статья поступила в редакцию 18.12.2014 Рекомендовано к печати д-ром техн. наук К.К. Софийским

Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов

Репозитарії

Схожі ресурси