Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

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

Содержание

1. Актуальность темы

Наиболее распространенные виды топлив, такие как природный газ, нефть будут исчерпаны в ближайшей перспективе, запасы угля и урана также ограничены. Поэтому человечество вынуждено переходить на альтернативные виды энергоносителей. Сложная экологическая обстановка в горнодобывающих регионах объясняется интенсивным потреблением различных видов энергии, производимой из традиционных видов топливных ресурсов: природного газа, угля, нефтепродуктов и др. Этому сопутствуют огромные выбросы парниковых и токсичных газов, аэрозолей и теплоты. В связи с этим использование менее вредного тепла недр представляется важной экологической и ресурсосберегающей задачей.

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. Основные современные способы использования геотермальной энергии основаны на скважинных технологиях. Им присущи такие недостатки как: высокая стоимость буровых работ; малая производительность установок, обусловленная низкой пропускной способностью скважин и высоким аэрогидродинамическим сопротивлением трещинных и поровых коллекторов в породах; угроза закупорки или размывания теплопроводящих каналов в трещиноватом горном массиве, недоступность и невозможность контролировать работу подземного теплообменника.

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. При реализации этого способа рассеянная в пространстве геотермальная энергия может быть сконцентрирована в протяженных каналах лабиринтной конфигурации. Использование выработанных пространств подземных горнодобывающих предприятий – это надежный способ, в меньшей степени подверженный многим присущим скважинным технологиям недостаткам. Отпадает необходимость проведения изыскательских и разведочных работ, так как в шахте тепловая обстановка известна. При использовании отработанных выработок сокращаются затраты на бурение скважин и выполнение других работ.

Учеными Донецкого национального технического университета предложен способ извлечения низкопотенциальной энергии, поступающей из недр и снимаемой теплоносителем со стенок горных выработок 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. Эффективность извлечения геотермальной энергии будет зависеть от условий теплопередачи из глубины массива к контуру горной выработки.

В связи с вышесказанным, исследования по установлению закономерностей изменения теплопроводности породного массива с целью повышения эффективности извлечения геотермальной энергии и усовершенствование на этой основе экологически безопасной технологии рационального использования тепловой энергии недр на глубоких угольных шахтах является актуальной научно–технической задачей.

2. Цель и задачи исследований

Целью работы является усовершенствование экологически безопасной технологии рационального использования тепловой энергии недр на глубоких угольных шахтах на основании раскрытия закономерностей изменения теплопроводности породного массива с целью повышения эффективности извлечения геотермальной энергии, что позволило бы сократить потребление традиционных энергетических ресурсов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

– рассмотреть современные представления о природе геотермальной энергии и путях ее использования в условиях глубоких угольных шахт;

–провести теоретические исследования закономерностей изменения теплопроводности породного массива;

– провести экспериментальные исследования повышения теплопроводности приконтурных пород;

– усовершенствовать конструкцию геотермального теплообменника;

– выполнить эколого–экономическую оценку предложенного способа использования низкопотенциальной геотермальной энергии для нужд предприятия и внешних потребителей.

Объект исследования – распределение низкопотенциальной геотермальной энергии в подвергшихся влиянию подземных горных работ породных массивах.

Предмет исследования – термодинамические процессы и условия, определяющие извлечение из горного массива и передачу теплоты от стенок выработок теплоносителю.

Методы исследования – при выполнении магистерской работы был использован комплексный метод исследования: анализ и обобщение информационных источников, посвященных вопросам использования геотермальной энергии; теоретические исследования процесса теплопереноса между стенкой горной выработки и теплоносителем; теоретико–экспериментальные исследования конструктивных параметров шахтного геотермального теплообменника (ШГТ); эколого–экономический анализ перспективных технологий использования низкопотенциальной энергии на предприятиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

3 Современные представления о природе геотермальной энергии и путях ее использования в условиях глубоких угольных шахт

Геотермальная энергия – это энергия тепла земли (гео – земля, термальная – тепловая).Основным источником этой энергии является постоянный поток тепла из раскаленных недр, направленный к поверхности земли. Этого тепла достаточно, чтобы расплавлять горные породы под земной корой, превращая их в магму (которую мы иногда видим на поверхности в виде лавы). Большая часть магмы остается под землей и, подобно печи, нагревает вышерасположенную породу. Когда подземные воды сталкиваются с этим теплом, они нагреваются – иногда до температуры 371°С. В некоторых местах, особенно по краям тектонических плит материков, а также в так называемых "горячих точках" теплота подходит так близко к поверхности, ее можно добывать с помощью геотермальных скважин.

3.1 Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства:

• месторождения геотермального сухого пара – сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;

• источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) – встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из–за высокой степени его засоленности);

• месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) – представляют собой, так называемые, геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

• сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) – их запасы энергии наиболее велики;

• магма, представляющая собой нагретые до 1300°С расплавленные горные породы.
По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 66500С. Скорость остывания Земля примерно равна 300–3500С в миллиард лет. Земля содержит 42•1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% – в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840000000000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому, что кора в таких зонах намного тоньше.
Согласно оценке экспертов из всех возобновляемых источников энергии самая низкая цена за 1кВт•ч у ГеоЭС (табл.1.1).

Таблица 1.1 – Сопоставление видов возобновляемой энергии.

Виды возобн. источников энергии Установленная мощность (МВт) Коифец. использов. мощности (%) Стоимость 1кВт*ч сегодня (цент) Стоимость 1кВт*ч в будущ (цент) Стоимость 1кВт*ч установл . мощн.(тыс.дол.) Доля выраб. энергии (%) Прирост за последние 5 лет (%)
Геотермальная 10200 55 - 95 2 - 10 1 - 8 0,8 - 3,0 70,2 22
Ветер 12500 20 - 30 5 - 13 3 - 10 1,1 - 1,7 27,1 30
Солнечная 50 8 - 20 25 - 125 5 - 25 5 -10 2,1 30
Приливы 34 20 - 30 8 - 15 8 - 15 1,7 - 2,5 0,6 -

3.2 Особенности распределения низкопотенциальной геотермальной энергии в угленосной толще

Разработку шахтным способом угольных месторождений различных каменноугольных бассейнов ведут в большом диапазоне глубин от 150…200м до 1300…1500м и глубже. Шахты Южноафриканской республики, Польши, Чехии, Украины и некоторых других стран ведут горные работы в условиях температур породных массивов превышающих Тм=35…550С. Это намного выше физиологически допустимого для человеческого организма верхнего температурного предела, составляющего 25…260С, что создает существенные проблемы с обеспечением безопасного и здорового микроклимата на рабочих местах.

Так называемая геотермическая ступень (расстояние, с углублением на которое происходит увеличение температуры пород на один градус) для многих месторождений равна 30…33 м, а гравитационный температурный градиент составляет около 20…400С при погружении на 1000м.

В ненарушенном горном массиве, где существует термостатическое равновесие, тепловая энергия (Q,Дж.), поступающая из недр, может быть определена по разности температур в породных слоях с различными изотермами:

  ,

где: S – площадь через которую поступает тепловой поток, м2;

H – разница глубин между изотермами, м;

р – плотность массива горных пород, кг/м3;

с – теплоемкость массива горных пород, Дж/(кг*град);

t – разность температур между изотермами, град.

 Количество энергии определяется преимущественно природными неизменными факторами, только площадь потока может быть выбрана произвольно. Поэтому большинство технологий использования геотермальной теплоты основаны на природных характеристиках среды, когда, в первую очередь выбирают места с высоким градиентом температур (малой разницей глубины между изотермами).
Плотность теплового потока определяют из частного:

     , Вт/м2

где: Q – тепловая энергия, Дж.

S – площадь, через которую поступает поток тепловой энергии, м2;

τ – время действия теплового потока, с.

Плотность энергетического потока обратно пропорциональна площади, на которой она распределена, и продолжительности ее действия. Если принять во внимание, что изменения планетарной геотермальной энергии в ближайшее время не предвидится, то площадь, с которой снимают теплоту, является доминирующим фактором.

В том случае, когда в породной толще ведут горные работы, тепловое равновесие не сохраняется. Нарушение его обусловлено, периодическим проявлением дополнительных тепловых источников: вливающихся вентиляционных потоков; масс нагретого перемещаемого полезного ископаемого; тепла от работающих горных машин; движения водных потоков в трубопроводах и самотеком; экзотермических реакций окисления пород и гниения органики; процессов метаболизма в организмах горнорабочих; фазовых переходов «жидкость–газ»; геомеханичесих и некоторых других процессов. Превалирующее значение имеет теплообмен между горным массивом и перемещающимся в горных выработках воздушным потоком. В действующих шахтах температура воздуха не должна быть выше допустимого правилами безопасности физиологического максимума – Тфм=25…260С. На глубоких горизонтах, где температура массива горных пород Тм > Тфм  снижение температуры обеспечивают либо за счет применения различных вентиляционных приемов: интенсификации проветривания, разбавления потоков нагретого воздуха холодными, применения кондиционирующих установок.

Температурные поля в породах, окружающих полевой (а) и пластовый (б) штреки горизонта 1030м на шахте «Халемба»: 1,2…5 – номера скважин для исследования температуры

Рисунок 1.4 – Температурные поля в породах, окружающих полевой (а) и пластовый (б) штреки горизонта 1030м на шахте «Халемба»: 1,2…5 – номера скважин для исследования температуры.

, Вт/м2

где:  λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м •град);

Dt– разность температур между изотермами, град;

l – расстояние между двумя энергетическими уровнями, м.

В этом случае сглаживается влияние некоторых факторов, и  становится очевидным, что плотность тепловых потоков распределена довольно симметрично относительно вертикальной плоскости, проведенной через ось выработки (рис.1.5).

Плотность тепловых потоков увеличивается по мере приближения к контуру выработки из глубины массива, хотя абсолютная величина энергии – уменьшается из–за уменьшения температуры. Приведенные данные и результаты наблюдений других исследователей показывают, что под влиянием горно–геологических и горнотехнических факторов снижается уровень тепловой энергии, передаваемой массивом горных пород в поперечном сечении горной выработки и приконтурного массива.

Тем не менее, ряд исследователей утверждает на основе шахтных наблюдений, что, при достаточно протяженном маршруте движения вентиляционного потока, его температурный режим сохраняется в течение нескольких лет и даже десятилетий. Это позволяет утверждать, что существуют такие условия, когда устанавливается динамически равновесное температурное поле, и отбор энергии из него можно производить неограниченное время.

Распределение плотности тепловых потоков (q, Вт\м2) в окружающих горные выработки (см. рис.1.4) породах

Рисунок 1.5 – Распределение плотности тепловых потоков (q, Вт\м2) в окружающих горные выработки (см. рис.1.4) породах.

В тектонически–спокойных районах, при отсутствии парогидротерм и неглубоко расположенных горячих горных пород использование шахтной энергии является в настоящее время самым перспективными неисчерпаемым источником низкопотенциальной экологически чистой энергии.

3.3 Извлечение низкопотенциального тепла недр с помощью  шахтных геотермальных теплообменников

Сложившаяся в угольной промышленности Украины кризисная обстановка обусловлена как организационно–техническими так природными факторами. За почти двухвековой период разработки ценных каменноугольных месторождений Донбасса, залегавшие на сравнительно небольших глубинах, мощные угольные пласты исчерпаны. Разработку средней и малой мощности пластов приходится осуществлять в метановой области углепородного массива, при температурах относительно неустойчивых вмещающих пород более 30…500С. Выемка угля сопряжена с необратимыми негативными последствиями экологического характера: минерализацией поверхностных и подземных вод; выбросами в атмосферу парниковых и радиоактивных газов и аэрозолей; деформациями и изъятием под отвалы поверхности. Результатом этого стало ухудшение безопасности ведения горных работ и рост себестоимости добытого угля. Состояние шахтного фонда и существующие технологии, наряду с организационно–экономическими проблемами, не позволяют существенно изменить эту тенденцию. Один из возможных путей преодоления кризиса – применение качественно новых технологических подходов к разработке подземных месторождений.

Одним из экологически чистых энергетических источников может быть теплота недр, извлекаемая из горнодобывающих предприятий. Основанием для такого предложения послужили результаты многолетних наблюдений за температурой воздуха, движущегося по протяженным вентиляционным маршрутам. Отечественные и зарубежные исследователи установили, что воздух, проходящий несколько километров по подземным горным выработкам, может нагреваться до температуры окружающего массива. Такой тепловой режим остается постоянным в течение десятилетий, подпитываемый потоком теплоты поступающей из нижних слоев мантии планеты.  Ученые ДонНТУ установили, что увеличить объем извлекаемой энергии можно, создавая в отработанных частях горного массива, так называемые, геотермальные теплообменники. В перспективе представляется возможным использование на глубоких шахтах геотермальной энергии для технологических целей и для реализации потребителям в виде электрической и тепловой энергии, других типов продукции .

Шахтный геотермальный теплообменник (ШГТ) – совокупность горных выработок, пройденных в горном массиве с температурой пород Тм~30…50оС и выше, в которых происходит извлечение теплоты недр путем нагревания движущегося в выработках теплоносителя, как правило, воздуха или воды. Конфигурация сети каналов может иметь самую разнообразную схему: последовательную, параллельную, комбинированную.

Можно выделить несколько характерных режимов работы теплообменников. При проходке выработок – режим строительства (РС), когда обнаженная поверхность выработки охлаждается воздухом от температуры массива (Тм) до температуры воздушного потока (Тв) (рис.2.1). Продолжительность такого состояния (tc) определяется темпами проведения выработки и оборудования ШГТ.  При эксплуатации выработки в качестве ШГТ используется основной режим “разрядки” аккумулятора тепла или рабочий режим (РР), горный массив вокруг каналов охлаждается за счет теплообмена с вентиляционной струей от температуры массива (Тм)  до некоторой допустимой (Тд)  за период (tр). Этому предшествует период “выстаивании” свежепройденной выработки, т.е. восстановлении первоначального температурного поля массива от (Тв) до (Тм) или подготовительный режим (ПР) продолжительностью (tп). Подобный  период существования ШГТ необходим для восстановления температуры от (Тд) до (Тм)  в течение расчетного времени (tз) – режим “зарядки” аккумулятора тепла (РЗ), при этом охлажденная зона массива прогревается за счет теплопритоков из недр.

Изменение температуры (Т) на поверхности канала шахтного геотермального теплообменника в периоды: строительства (tс); подготовки к работе (tп); работы (tр); зарядки (tз): Тм, Тв, Тд – температуры, соответственно, массива, теплоносителя (воздуха), допустимого охлаждения стенок канала.

Рисунок 2.1 – Изменение температуры (Т) на поверхности канала шахтного геотермального теплообменника в периоды: строительства (tс); подготовки к работе (tп); работы (tр); зарядки (tз): Тм, Тв, Тд – температуры, соответственно, массива, теплоносителя (воздуха), допустимого охлаждения стенок канала.

4 Теоретические исследования закономерностей изменения теплопроводности породного массива

      Продолжительность работы ШГТ в эксплуатационном режиме определяется соотношением поступающей из недр и отводимой нагретым носителем теплоты. В том случае, когда количество уносимой теплоты меньше или равно количеству поступающей, теплообменник может бесконечно долго работать в эксплуатационном режиме. Однако задача обеспечения потребителей максимальным количеством энергии решается за счет увеличения расхода теплоносителя в ШГТ, что влечет за собой сокращение срока его работы в рабочем режиме.

Интенсивное охлаждение стенок теплообменника приводит к снижению температуры во вмещающем горную выработку породном массиве. Обеспечение постоянства теплового состояния породного массива вблизи канала теплообменника возможно только за счет притока тепла недр. Из классической физики известно, что количество теплоты, передаваемое слоем вещества толщины Δl площадью S при поддержании на его плоскостях разности температур ΔT за время t определяют из выражения:

,

где: λ– коэффициент теплопроводности вещества, вт/(м град).

Характеристикой теплопроводности среды является коэффициент λ. Предел изменения этого показателя для осадочных горных пород составляет 0,2 < λ <12, в том числе для песчаника 1,3 < λ <4,2, известняка 1,0< λ <2,3, аргиллита 1,5 < λ <2,2 . В слоистых породах наблюдают большее значение коэффициента теплопроводности вдоль слоистости  по сравнению с измеренным перпендикулярно к слоистости . Коэффициент анизотропии теплопроводности слоистых горных пород составляет в среднем 1,1…1,5.

Эти показатели присущи сплошным ненарушенным трещинами массивам горных пород. В том случае, когда среда разделена трещинами, этот показатель уменьшается примерно на два порядка, так как между берегами трещин находится воздух (λ = 0,026) или другой газ, с примерно таким же уровнем теплопроводности. Теплоперенос в трещиноватых массивах происходит через точечные породные контакты и газовые заполнители полостей трещин. Интенсивность процесса определяется соотношением площадей контактирующих и разделенных газом поверхностей. Вблизи контура выработки трещиноватость имеет величину больше чем в массиве, так как под действием сил горного давления в приконтурной области породы разрушаются, и увеличивается число трещин, приходящихся на единицу площади, а также ширина их раскрытия, т.е. толщина газовых слоев через которые осуществляется теплоперенос. В нетронутом горными работами массиве число трещин значительно меньше, ширина их раскрытия невелика, а, следовательно, коэффициент теплопроводности намного больше. Кроме того, в газоносных средах, к которым относятся угленосные породные толщи, адсорбированные на твердых поверхностях полимолекулярные слои сгущенного газа обеспечивают повышенную относительно свободного газа теплопроводность. Поэтому микротрещины и микропоры, ширина раскрытия которых меньше длины свободного пробега молекул газа, можно представить как залеченные полости с повышенным значением λ.

Исключительно большую роль играет форма и ориентация полостей в породах. Если они подобны пластинам (трещины) то теплопроводность значительно снижается при расположении полостей перпендикулярно тепловому потоку. Макротрещины дислоцированы, преимущественно, в местах геологических нарушений массивов и в зонах влияния горных выработок на вмещающие их породы. Так вокруг контура подготовительной выработки под действием сил горного давления формируется зона разрушений горных пород  разделенных макротрещинами.

Исследованиями  установлено, что в процессе проведения и дальнейшего поддержания подготовительных горных выработок в их боках происходит развитие существующих в массиве микротрещин и переход их в разряд макротрещин. Одновременно, развиваются системы техногенных макротрещин, ориентированных параллельно породному контуру и в направлении радиальном к оси выработки. Наличие такого рода разрывов сплошности пород приводит к резкому ухудшению теплопроводности среды.

Интегральным показателем, характеризующим общую трещиноватость среды, принято считать коэффициент трещинной пустотности Ктп, который показывает какую часть объема горной породы, составляют полости трещин. Схематичное представление об изменении характера Ктп в боках горных выработок, применительно к вопросу о возникновении эндогенных пожаров приведено на рисунке 3.12.

В нетронутом массиве существует развитая состоящая из нескольких систем сеть микротрещин, этому состоянию массива соответствует некоторое значение коэффициента трещинной пустотности Ктп0. При проведении горной выработки происходит образование новых микротрещин, раскрытие уже существующих и их переход в разряд макротрещин. Объем трещинной пустотности по экспоненциальной зависимости уменьшается от контура выработки в глубину массива. Вблизи контура выработки объем макротрещин превалирует над объемом микротрещин (Lmin). С удалением вглубь массива растет объем микротрещиноватости, и на некотором расстоянии (Lmax), соответствующем зоне влияния горных работ, объем макротрещин будет несоизмеримо мал по сравнению с объемом микротрещин.

Эти данные показывают, что наличие трещиноватости может существенно снизить теплопроводность горного массива и, соответственно, уменьшить мощность шахтного геотермального теплообменника. Для практических расчетов при значениях пористости (Р) не более 20% предложено использовать зависимость кубического типа:

.

Пористость породного массива может изменяться 0,03<Р<0,2, согласно выражения 3.33 коэффициент теплопроводности будет составлять – 0,91<λ0<0,512. Ориентация трещин параллельно контуру горной выработки определяет уменьшение тепловых потоков именно в направлении полости этой выработки, что противоречит нашим устремлениям.

Схема распределения коэффициента трещинной пустотности (Ктп)в боках горной выработки: Ктпо – фоновый уровень трещинной пустотности в нетронутом массиве, Lmax, L min – границы соответственно максимального и минимального развития макротрещиноватости

Рисунок 3.12 – Схема распределения коэффициента трещинной пустотности (Ктп)в боках горной выработки: Ктпо – фоновый уровень трещинной пустотности в нетронутом массиве, Lmax, L min – границы соответственно максимального и минимального развития макротрещиноватости.

    Существенно повышает значение коэффициента теплопроводности λ присутствие в горных породах воды. В жидкостном состоянии она может содержаться в породах в виде пленок и в свободном виде. Заполняя поры и полости, в случае насыщения пород, вода может повышать теплопроводность массивов выше значений, характерных для сухих монолитных образцов. Гравитационная вода содержится в подстилающих подготовительную выработку трещиноватых горных породах. Кроме того, из–за высокой влажности шахтного воздуха (относительная влажность более 80%) в открытых порах и трещинах имеется гигроскопическая влага.

Наличие воды, стекающей на почву выработки, позволяет улучшить теплообмен и увеличить мощность теплового потока, передаваемого из недр в теплоноситель. Как показывают расчеты горные породы, имеющие значительную величину пористости и высокую влажность, характеризуются величиной  примерно вдвое большей, чем у сухих образцов трещиноватых пород (рис.3.13).

Рассмотрен вопрос об искусственном увеличении коэффициента теплопроводности трещиноватых горных пород. Это возможно в том случае, когда открытые макротрещины заполняют способным отвердевать составом (т.е. уменьшать пористость среды) имеющим больше чем воды. Такими характеристиками обладает, например, 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 и добавками ПАВ, для лучшего смачивания поверхности пор и трещин, в окружающий выработку массив позволяет сократить негативное влияние техногенной и природной трещиноватости и обеспечить улучшение тепловых характеристик ШГТ. В этом случае теплопроводность обработанной породы существенно увеличивается, а соответственно возрастает мощность ШГТ. При этом регулирование тепловых свойств массива можно осуществлять в весьма широком диапазоне.

5 Экспериментальные исследования повышения теплопроводности приконтурных пород

Экспериментальным путем была установлена и доказана возможность применения глино–графитной смеси в качестве теплопроводящего состава. Для проведения эксперимента были приготовлены 40 образцов с различной концентрацией графитового порошка (0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 50%, 75% и 100%). Приготовление образцов осуществляется в лаборатории с использованием пресса. Проведение непосредственных измерений осуществлялось согласно ГОСТ 25493–82. 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 сухой и увлажненной глино-графитной смеси.

Содержание графита глино–графитной смеси, Сгр, %вес. Коэфициент теплопроводимости сухой глино–графитной смеси, Дж Коэфициент теплопроводимости увлажненной глино–графитной смеси, Дж Увеличение коэфициента теплопроводимости сухойглино–графитной смеси, % Увеличение коэфициента теплопроводимости увлажненной глино–графитной смеси, Д%
0 4,87 6,18 0 0
5 5,1 6,7 4,72 8,4
10 5,7 7,25 17,0 17,3
15 6,69 7,66 37,4 23,9
20 7,69 8,41 57,9 36,08
50 10,17 15,89 108,83 157,12
75 11,9 12,57 144,35 130,40
100 15,57 13,68 219,71 121,36

Таким образом, очевидна эффективность применения глино-графитной смеси для увеличения коэффициента теплопроводности. Снижение коэффициента теплопроводности увлажненных образцов с концентрацией графитового порошка 75% и 100% обусловлено, прежде всего, свойством гидрофобности графитового порошка.
На рис.2 представлены графики зависимости коэффициента теплопроводности сухой и увлажненной глино-графитной смеси от концентрации графитового порошка.  При этом зависимость коэффициента теплопроводности сухой глино-графитной смеси описывается формулой

                                   y=5,2945е0,0113х                                                
с коэффициентом парной корреляции /r/= 0,95.
Зависимость коэффициента теплопроводности увлажненной глино-графитной смеси от содержания графита описывается формулой:

    y=-0,0016х2+0,2403х+5,3171 
с коэффициентом парной корреляции /r/= 0,87.

Представленные результаты испытаний и полученные зависимости позволяют сделать вывод, что существует оптимальное значение содержания графита в глино-графитной смеси, при котором теплопроводность смеси в увлажненном состоянии максимальна. Для использованных в эксперименте отходов графита его оптимальное содержание в увлажненной смеси составляет 75% мас. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования состава теплопроводящего наполнителя анкерной крепи, что позволит увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю при извлечении геотермального тепла из выработок глубоких шахт.

6 Усовершенствование конструкции геотермального теплообменника

На основании экспериментальных исследований был предложен способ анкерного крепления , состоящий в следующем (рис.1). Сначала аналитически рассчитываются глубины зоны разрушаемых пород lt, замковой части lz и шпура в целом lш. Затем по контуру выработки 1 в породный массив 2 бурятся шпуры глубиной lш и диаметром D2, большим чем диаметр анкера 3 D1. После этого шпуры разбуривали на глубину lt до диаметра D3, причем диаметр теплопроводной части шпура должен быть не менее двух диаметров анкера 3 D3 ≥ 2D1. При выполнении этого условия рост теплового потока через систему «анкер - наполнитель» в полость выработки наиболее значителен.

После этого шпуры заполняются на длину замковой части ампулами 7 со смолой и закрепителем, с помощью анкера 3 содержимое ампул перемешивается и таким образом анкер закрепляется в шпуре. Одновременно с этим готовится теплопроводный наполнитель 4 с повышенным коэффициентом теплопроводности λt. В качестве наполнителя может быть использована смесь бентонитовой глины и порошкообразного графита. Сухие компоненты смеси заранее смешиваются в соотношении 4:1 по массе, что определяет необходимую величину коэффициента теплопроводности. Затем сухая смесь затворяется водой до консистенции густой суспензии и нагнетается с помощью шламовых насосов в теплопроводную часть шпуров.

Со стороны выработки осуществляется установка опорной шайбы 5 между стенкой выработки 1 и гайкой 6. Для лучшего теплообмена между системой «анкер - наполнитель» и воздухом в полости выработки 1, опорная шайба 5 может быть выполнена из металла в виде радиатора - детали с развитой внешней поверхностью, что увеличивает кондуктивный  теплообмен между системой «анкер - наполнитель» и теплоносителем шахтного геотермального теплообменника и способствует интенсификации процесса.

Способ анкерного крепления выработки: 1 - подготовительная выработка; 2 - породный массив; 3 – анкер; 4 - теплопроводный наполнитель шпура; 5 - опорная шайба; 6 – гайка; 7 - быстротвердеющий состав; D1, D2, D3 - диаметры, соответственно, анкера, шпура в замковой части, шпура в теплопроводящей части; lш, lz, lt - длины, соответственно, шпура, замковой и теплопроводной частей шпура.

Рисунок 1 – Способ анкерного крепления выработки: 1 - подготовительная выработка; 2 - породный массив; 3 – анкер; 4 - теплопроводный наполнитель шпура; 5 - опорная шайба; 6 – гайка; 7 - быстротвердеющий состав; D1, D2, D3 - диаметры, соответственно, анкера, шпура в замковой части, шпура в теплопроводящей части; lш, lz, lt - длины, соответственно, шпура, замковой и теплопроводной частей шпура.

Замковая часть анкера 3 располагается при этом за пределами трещиноватой области, окружающей выработку 1, т.е. в области температур горного массива. Анкер 3 является проводником тепловой энергии, интенсивно проводя ее в область пониженных температур - в полость выработки 1. Мощность теплового потока прямо пропорциональна площади сечения ведущего канала. Однако с точки зрения экономии металла использовать анкеры большого сечения нерационально. Поэтому рационально применять комбинированные устройства, которые сочетают несущие стержни из прочных материалов и окружающие их теплопроводящие элементы, имеющие вспомогательное значение как несущие, а также обеспечивающие повышенную теплопроводность. После затвердевания теплопроводной смеси вокруг анкеров 3 в шпурах  образуются зоны с повышенной теплопроводностью. Применение предложенного способа крепления позволило оценить увеличение температуры в горной выработке. Пластовая подготовительная выработка 1 размером В = 5,0 м и Н = 3,0 м проходилась на глубине 1000 м в породах с средневзвешенной прочностью R=30 МПа с помощью проходческого комбайна. Вмещающие породы были представлены песчаником со средним коэффициентом теплопроводности λвп = 3,4 Вт / (м град), их температура составляла 42оС. Увеличение эффективности передачи тепла из массива горных пород контролировали по температуре опорной шайбы 5. При креплении выработки обычным способом ее температура составляла 29оС. Было пробурено 4 шпура: № 1 – закреплен обычным способом, № 2, 3, 4 – с помощью теплопроводящего состава диаметром соответственно 36, 50, 72 мм

Мощность теплового потока Q, Дж / c, передаваемого через такие анкерные системы, определялась по формуле:

,                                       

где ΔТ - изменение температуры на опорной шайбе, оС;

lt - глубина зоны разрушаемых пород, м;

t - время, с;

λа, λt - коэффициенты теплопроводности, соответственно, анкера 3 и теплопроводящего наполнителя 4, Вт / (м К);

D1, D3 - диаметры, соответственно, анкера 3 и шпура в теплопроводной части.

Наиболее интенсивный рост теплового потока, а, следовательно, и температуры наблюдался при диаметре шпура в теплопроводящей части D3 не менее чем в два раза большем диаметра тела анкера 3 D1.

Результаты шахтного эксперимента сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Изменение температуры опорной шайбы зависимости от диаметра шпура с теплопроводным наполнителем.

№ шпура D3, (мм) Q/t, (Дж/с) Тш, (С) ΔТш, (С) ΔQ/t, (Дж/с) +/-, (%)
1 36 (без теплопроводящего наполнителя) 0,213 29 - - -
2 36 (с теплопроводящим наполнителем) 0,225 31 2 0,-12 +5,63
3 50 0,279 37 8 0,066 +30,99
4 72 0,451 42 13 0,238 +111,7

          Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает совершенствование способа анкерного крепления выработки, в котором за счет бурения на участке разрушенных пород шпуров диаметром не менее двух диаметров анкера, заполнения зазора между ним и стенкой шпура теплопроводящим наполнителем после закрепления анкера и установки опорной шайбы, имеющей разветвленную поверхность для теплообмена с воздухом выработки, обеспечивается увеличение коэффициента теплопроводности горных пород, вмещающих выработку-канал, что позволяет увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю.

Список литературы:

1. Патент на корисну модель № 70012 Україна, МПК Е21D 13/00. Спосіб анкерного кріплення виробки/ В.К. Костенко, О.Л. Зав'ялова, С. Саліхерадж, О.С. Шипика; заявник і власник ДонНТУ. – № u201112926; заявл. 03.11.2011; опубл. 25.05.2012, Бюл. №10.

2. 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.

3. Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л. Использование геотермальной энергии в условиях глубоких шахт / Екологічні проблеми топливно-енергетичного комплексу: ІІІ регіональна наук. конф. аспірантів і студентів, 25 - 26 квітня 2012 р: зб. матер. конф. – Донецьк: ДонНТУ, 2012.- С.180-185.

4. Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л. «Повышение эффективности использования теплопроводящих анкеров», «Комплексне використанння природних ресурсів»: V регіонал. конф., 6 грудня 2012 р.: зб. доповідей студентів та аспірантів. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. - С.23-28.

5. С. Салехирадж, Шипика А. С., Завьялова Е.Л. Увеличение объема извлекаемой шахтным геотермальным теплообменником энергии выработок глубоких шахт/ «Комплексне використанння природних ресурсів»: IV регіонал. конф., 12 грудня 2011 р.: зб. доповідей студентів та аспірантів. – Донецьк: ДонНТУ, 2011. - С.28-31.

6. Завьялова Е.Л.Повышение эффективности использования теплопроводящих анкеров/ Е.Л. Завьялова, А.С. Шипика, И.В. Скринецкая// Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецьк, 2012. – №1(30)-2(31) – С. 459 - 465.

7. Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л. «Повышение эффективности использования теплопроводящих анкеров»/ Проблемы недропользования: Сборник научных трудов. Часть II / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»: VIII международный форум-конкурс молодых ученых: 24-26 апреля 2013 года. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 198-200.