НАЗАД

Шипика А.С., Завьялова Е.Л. Скринецкая И.В.
Донецкий национальный технический университет

Усовершенствование экологически безопасной технологии рационального использования тепловой энергии недр на глубоких угольных шахтах

      Предложен способ анкерного крепления выработок, который обеспечивает увеличение коэффициента теплопроводности горных пород, вмещающих выработку - канал, и позволяет увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю. При этом повышается эффективность работы шахтного геотермального теплообменника

      В настоящее время актуальность проблемы поиска альтернативных источников энергии не вызывает сомнений в связи с исчерпанием и существенным удорожанием традиционных источников энергии. Среди альтернативных источников энергии особое место занимает геотермальная энергия как один из наиболее надежных и постоянных источников альтернативной энергетики, так как используемое тепло земли имеет стабильную температуру на протяжении длительного времени.
      Анализ показывает, что запасы геотермальной энергии на планете достаточны для того, чтобы на длительное время обеспечить потребности всего человечества, а ее стоимость – одна из самых низких среди возобновляемых источников энергии. Однако приемлемые для использования в современных энергетических установках уровни теплоты, с температурой более 1500С, находятся на значительных глубинах, порядка 4-5 тыс.м [1]. Для горнодобывающих регионов Украины, в которых отсутствуют неглубоко расположенные высокопотенциальные термальные ресурсы, перспективным источником является теплота, получаемая из недр через стенки горных выработок глубоких шахт. Таким образом, создание экологически безопасной технологии рационального использования теплоты недр на глубоких угольных шахтах является актуальным.
       В настоящее время проводится огромное количество исследований и разработок в области получения и использования геотермальной энергии. Основное количество способов получения геотермальной энергии основано на скважинных технологиях. При этом способе бурятся скважины, в которые подается холодная вода, а на выходе получают горячую воду или пар. Данному способу присущи такие недостатки как: высокая стоимость буровых работ, малая производительность установок, угроза закупорки или размывания теплопроводящих каналов в трещиноватом горном массиве, невозможность контролировать работу подземного теплообменника.
      Учеными Донецкого национального технического университета предложен способ извлечения низкопотенциальной энергии, поступающей из недр и снимаемой теплоносителем состенок горных выработок [2] с помощью шахтного геотермального теплообменника. Шахтный геотермальный теплообменник (ШГТ) – совокупность горных выработок, пройденных в горном массиве с температурой пород 30-50оС и выше, в которых происходит извлечение теплоты недр путем нагревания, движущегося в выработках теплоносителя, как правило, воздуха или воды. Особенность способа состоит в том, что для этого используют выработанные пространства, то есть участки горного массива, из которых извлечено полезное ископаемое, и их практическое использование не предусматривается в перспективе. В таких условиях теплосъем может производиться десятки и сотни лет, так как источник теплоты будет существовать в обозримом будущем. В отличие от скважинных технологий в этом способе процесс теплообмена является контролируемым, угроза суффозии или кольматации – минимальна. Длительность существования такого типа установок определяется только устойчивостью пространства, в котором осуществляется теплопередача.
      Для обеспечения наилучшей теплопередачи из глубины массива к контуру горной выработки необходимо максимально снизить негативное влияние техногенной трещиноватости горных пород вблизи поверхности канала. Искусственное увеличение коэффициента теплопроводности () трещиноватых горных пород возможно в случае, когда открытые макротрещины заполняют способным отвердевать составом (т.е. уменьшают пористость среды), имеющим больший, чем вода. Такими характеристиками обладает суспензия бентонитовой глины 0,7<<0,98. Особенно увеличивает значение коэффициента теплопроводности добавление в суспензию тонкодисперсного порошка графита, имеющего уникальный показатель 116<<174. Таким образом, нагнетание суспензии бентонитовой глины с графитом в окружающий выработку массив позволит сократить негативное влияние техногенной и природной трещиноватости и обеспечить улучшение тепловых характеристик ШГТ.  
      Для исследования и подтверждения возможности применения глино-графитной смеси в качестве теплопроводящего раствора был проведен ряд опытов. Приготовление образцов осуществлялось в лаборатории с использованием пресса. На технических весах с ценой деления 0,05г взвешивали графитный порошок и бентонитовую глину для приготовления образцов с содержанием графита 0%, 5%, 10%, 15%, 20% (вес.). После взвешивания компонентов проводили их смешивание. Завершающим этапом в приготовлении образцов являлось придание глино-графитной смеси формы таблеток диаметром 44 мм и толщиной 10мм и 15мм с помощью пресса. Масса образцов составила 30г и 40 г соответственно.
      Проведение непосредственных измерений осуществлялось согласно ГОСТ 25493-82 [4].Тепловые параметры образцов измеряли, подавая тепловые импульсы на один из торцов цилиндрического образца с плоскопараллельными основаниями, а временной сдвиг теплового импульса, связанный со скоростью распространения тепла в образце изучали на другом торце.
      Для подтверждения возможности применения глино-графитной смеси в качестве теплопроводящего состава было приготовлено более 40 образцов с различной концентрацией графитового порошка. Кроме того, были проведены измерения коэффициента теплопроводности глино-графитной смеси в увлажненном состоянии. Для этого образцы помещались в эксикатор над поверхностью воды и выдерживались в нем до достижения максимальной степени водонасыщения, которая определялась по увеличению веса образца. Полученные коэффициенты теплопроводности увлажненной глино-графитной смеси представлены в табл. 1.

      Таблица 1 – Влияние содержания графита на величину коэффициента теплопроводности  увлажненной глино-графитной смеси

      Таким образом, исходя из полученных данных, можно сделать вывод об увеличении коэффициента теплопроводности при увеличении содержания порошка графита в глино-графитной смеси. Для сухих смесей увеличение коэффициента теплопроводности составило 57,9 %, для увлажненных 72,68 %. Если учесть, что коэффициент теплопроводности породного массива находится в пределах 0,91<λп<0,512, то использование глино-графитной смеси в качестве теплопроводящего состава позволит увеличить его теплопроводящие свойства более, чем в 10 раз, что позволит повысить эффективность работы теплопроводящих анкеров.
      Целью данной работы является усовершенствование экологически безопасной технологии рационального использования тепловой энергии недр на глубоких угольных шахтах путем использования глино-графитной смеси для увеличения теплопроводности породного массива, что позволило бы повысить эффективность работы шахтного геотермального теплообменника.
      Сущность предложенного способа заключается в усовершенствовании способа анкерного крепления выработок, в котором на участке разрушенных пород шпур бурят диаметром не менее двух диаметров анкера. После закрепления анкера, зазор между ним и стенкой шпура заполняют глино-графитной смесью и устанавливают теплообмен с воздухом выработки с помощью опорной шайбы в виде радиатора, чем обеспечивается достижение технического результата - увеличение коэффициента теплопроводности горных пород, вмещающих выработку-канал, что позволяет увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю.
      Конструктивно теплопроводящий анкер выглядит следующим образом (рис. 1). Тело анкера может быть выполнено из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (λ). Это может быть металл, как черный, так и цветной в том случае, когда срок службы ШГТ составляет несколько десятилетий или сотен лет. Наиболее перспективными, по нашему мнению, являются композитные материалы на основе углепластиковых волокон, которые обладают как высоким λ, так и уникальными прочностными показателями. Общий размер анкера определяется из размеров препятствующей теплопереносу трещиноватой зоны во вмещающих выработку породах, которая, в свою очередь, зависит от глубины заложения выработки, прочностных характеристик пород, размеров поперечного сечения выработки, типа ее крепи, влажности среды и других факторов.

      Рис.2. Конструкция теплопроводящего анкера: 1 - породный массив;
2 – гайка; 3 - шайба-радиатор; 4 - теплопроводящий наполнитель шпура; 5 – анкер; 6 – скрепляющий состав; D1, D2, D3 – диаметры, соответственно, анкера, шпура в замковой части, шпура в теплопроводящей части; lz, lt – длина, соответственно, замковой и теплопроводящей части шпура.

      Условно длину анкера можно разделить на два участка. Замковая (lz) – это часть анкера, которая реализует силовые связи между анкером и горным массивом. Такая функция реализуется путем склеивания тела анкера с породами путем заполнения зазора между телом анкера диаметромD1, и стенками шпура, имеющего диаметр D2 твердеющим вяжущим составом. Протяженность этого участка определяется на основе прочностных расчетов и в данной работе не рассматривается. Второй участок - теплопроводящий (lt), потоки теплоты передаются как телом анкера, так и теплопроводящим составом, заполняющим зазор между телом анкера и стенками шпура, расширенного на этом участке до диаметра D3, имеющим более высокий, чем у горных пород, коэффициент теплопроводности. В качестве теплопроводящего наполнителя можно использовать глино-графитную смесь. Предварительно смешивают сухие компоненты смеси в соотношении, определяющем необходимую величину коэффициента теплопроводности (λ). Затем затворяют сухую смесь водой до консистенции в виде густой суспензии и, не давая глине разбухать, нагнетают шламовым насосом в шпур.
      Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает увеличение коэффициента теплопроводности горных пород, вмещающих выработку - канал, и позволяет увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю. При этом повышается эффективность работы шахтного геотермального теплообменника

Список литературы:

1.Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976.- 215с

2.Патент на винахід №82121 Україна МПК F24 J3/08, F03 G41/00. «Спосіб одержання геотермальної енергії» Костенко В.К. Костенко О.В., Костенко Т.В., заявник і власник ДонНТУ. – № u200603145; заявл. 03.04.2006; опубл. 11. 03. 2008, бюл. №5.

3.Патент на винахід №102020 Україна МПК E21D 21/00,  E21D/00. «Спосіб анкерного кріплення виробки» Костенко В.К. . Зав'ялова О.Л., Салехирадж С. Шипика О.С., заявники і власники ДонНТУ. – № а 2011 12723; заявк.. 31.10.2011; публ., 27.05.2013  бюл. № 10.
4.Патент на корисну модель № 70012 Україна, МПК Е21D 13/00. Спосіб анкерного кріплення виробки/ В.К. Костенко, Зав’ялова О.Л., С. Саліхерадж, О.С. Шипика; заявник і власник ДонНТУ. – № u201112926; заявл. 03.11.2011; опубл. 25.05.2012, Бюл. №10.
5.ГОСТ 25493-82 Породы горные. Метод определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности