ДонНТУ   Портал магістрів

Шипіка Олена Сергіївна

Факультет екології та хімічної технології

Кафедра природоохранної діяльності

Спеціальність: Екологія гірничої справи

Удосконалення екологічно безпечної технології раціонального використання теплової енергії надр на глибоких вугільних шахтах

Науковий керівник: к.т.н., доц. Завьялова Олена Леонідівна

Резюме Біографія Реферат

Удосконалення екологічно безпечної технології раціонального використання теплової енергії надр на глибоких вугільних шахтах

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми;
• 2. Цілі і завдання досліджень;
• 3. Сучасне уявлення про природу геотермальної енергії та шляхи її використання в умовах глибоких вугільних шахт:
• 3.1 Джерела геотермальної енергії по класификации Міжнародного енергетичного агенства;
• 3.2 Особливості розподілу низкопотенциальной геотермальної енергії в угненосной товщі;
• 3.3 Витяг низькопотенціального тепла надр за допомогою шахтних геотермальних теплообмінників;
• 4. Теоретичні дослідження закономірностей изминения теплопровідності породного масиву;
• 5.Експериментальні дослідження підвищення теплопровідності приконтурних порід;
• 6.Удосконалення конструкції геотермального теплообмінника;
• Список літератури

1. Актуальність теми

Найбільш поширені види палив, такі як природний газ, нафту будуть вичерпані в найближчій перспективі, запаси вугілля та урану також обмежені. Тому людство змушене переходити на альтернативні види енергоносіїв. Складна екологічна обставина в гірничодобувних регіонах пояснюється інтенсивним споживанням різних видів енергії, виробленої з традиційних видів паливних ресурсів: природного газу, вугілля, нафтопродуктів та ін Цьому супроводжують величезні викиди парникових та токсичних газів, аерозолів і теплоти. У зв'язку з цим використання менш шкідливого тепла надр видається важливою екологічної та ресурсозберігаючої завданням.

Аналіз показує, що запаси геотермальної енергії на планеті достатні для того, щоб на тривалий час забезпечити потреби всього людства, а її вартість – одна з найнижчих серед поновлюваних джерел енергії. Однак, прийнятні для використання в сучасних енергетичних установках рівні теплоти, з температурою більше 1500С, знаходяться на значних глибинах, порядку 4 ... 5 тис.м. Основні сучасні способи використання геотермальної енергії засновані на свердловинних технологіях. Їм притаманні такі недоліки як: висока вартість бурових робіт; мала продуктивність установок, обумовлена ??низькою пропускною здатністю свердловин і високим аеродинамічних опором трещинних і порових колекторів в породах; загроза закупорки або розмивання теплопровідних каналів в тріщинуватих гірському масиві, недоступність і неможливість контролювати роботу підземного теплообмінника.

Для гірничодобувних регіонів України, в яких відсутні неглибоко розташовані високопотенціальні термальні ресурси, перспективним джерелом є теплота, одержувана з надр через стінки гірничих виробок глибоких шахт. При реалізації цього способу розсіяна в просторі геотермальна енергія може бути сконцентрована в протяжних каналах лабіринтовою конфігурації. Використання вироблених просторів підземних гірничодобувних підприємств – це надійний спосіб, у меншій мірі схильний багатьом властивим свердловинним технологіям недоліків. Відпадає необхідність проведення вишукувальних та розвідувальних робіт, так як у шахті теплова обстановка відома. При використанні відпрацьованих виробок скорочуються витрати на буріння свердловин та виконання інших робіт.

Вченими Донецького національного технічного університету запропонований спосіб вилучення низкопотенциальной енергії, що надходить з надр і знімається теплоносієм зі стінок гірничих виробок за допомогою шахтного геотермального теплообмінника.

Шахтний геотермальний теплообмінник (ШГТ) – сукупність гірських виробок, пройдених в гірському масиві з температурою порід 30-50оС і вище, в яких відбувається вилучення теплоти надр шляхом нагрівання, що рухається у виробках теплоносія, як правило, повітря чи води. Особливість способу полягає в тому, що для цього використовують вироблені простори, тобто ділянки гірського масиву, з яких вилучено корисна копалина, та їх практичне використання не передбачається в перспективі. У таких умовах знімання тепла може проводитися десятки і сотні років, так як джерело теплоти буде існувати в осяжному майбутньому. На відміну від свердловинних технологій у цьому способі процес теплообміну є контрольованим, загроза суффозии або кольматации - мінімальна. Тривалість існування такого типу установок визначається тільки стійкістю простору, в якому здійснюється теплопередача. Ефективність вилучення геотермальної енергії залежатиме від умов теплопередачі з глибини масиву до контуру гірничої виробки.

У зв'язку з вищесказаним, дослідження по встановленню закономірностей зміни теплопровідності породного масиву з метою підвищення ефективності вилучення геотермальної енергії та удосконалення на цій основі екологічно безпечної технології раціонального використання теплової енергії надр на глибоких вугільних шахтах є актуальною науково-технічною задачею.

2. Цілі і завдання досліджень

Метою роботи є удосконалення екологічно безпечної технології раціонального використання теплової енергії надр на глибоких вугільних шахтах на підставі розкриття закономірностей зміни теплопровідності породного масиву з метою підвищення ефективності вилучення геотермальної енергії, що дозволило б скоротити споживання традиційних енергетичних ресурсів.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішення наступних завдань:

- Розглянути сучасні уявлення про природу геотермальної енергії та шляхи її використання в умовах глибоких вугільних шахт;

-Провести теоретичні дослідження закономірностей зміни теплопровідності породного масиву;

- Провести експериментальні дослідження підвищення теплопровідності приконтурних порід;

- Удосконалити конструкцію геотермального теплообмінника;

- Виконати еколого-економічну оцінку запропонованого способу використання низкопотенциальной геотермальної енергії для потреб підприємства і зовнішніх споживачів.

Об'єкт дослідження - розподіл низкопотенциальной геотермальної енергії в зазнали впливу підземних гірничих робіт породних масивах.

Предмет дослідження – термодинамічні процеси та умови, що визначають витяг з гірського масиву і передачу теплоти від стінок виробок теплоносію.

Методи дослідження – при виконанні магістерської роботи був використаний комплексний метод дослідження: аналіз та узагальнення інформаційних джерел, присвячених питанням використання геотермальної енергії; теоретичні дослідження процесу теплопереносу між стінкою гірничої виробки і теплоносієм; теоретико-експериментальні дослідження конструктивних параметрів шахтного геотермального теплообмінника (ШГТ); еколого-економічний аналіз перспективних технологій використання низкопотенциальной енергії на підприємствах.

3 Сучасні уявлення про природу геотермальної енергії та шляхи її використання в умовах глибоких вугільних шахт

Геотермальна енергія – це енергія тепла землі (гео – земля, термальна - теплова). Основним джерелом цієї енергії є постійний потік тепла з розпечених надр, спрямований до поверхні землі. Цього тепла достатньо, щоб розплавляти гірські породи під земною корою, перетворюючи їх на магму (яку ми іноді бачимо на поверхні у вигляді лави). Велика частина магми залишається під землею і, подібно печі, нагріває вищерозташованих породу. Коли підземні води стикаються з цим теплом, вони нагріваються – іноді до температури 371 ° С. У деяких місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках" теплота підходить так близько до поверхні, її можна добувати за допомогою геотермальних свердловин.

3.1 Джерела геотермальної енергії за класифікацією Міжнародного енергетичного агентства:

• родовища геотермального сухого пара - порівняно легко розробляються, але досить рідкісні; тим не менш, половина всіх діючих у світі Геотес використовує тепло цих джерел;

• джерела вологої пари (суміші гарячої води і пари) – зустрічаються частіше, але при їх освоєнні доводиться вирішувати питання запобігання корозії устаткування Геотес і забруднення навколишнього середовища (видалення конденсату за високого ступеня його засоленості);

• родовища геотермальної води (містять гарячу воду або пару і воду) – являють собою, так звані, геотермальні резервуари, які утворюються в результаті наповнення підземних порожнин водою атмосферних опадів, що нагрівається близько лежить магмою;

• сухі гарячі скельні породи, розігріті магмою (на глибині 2 км і більше) – їх запаси енергії найбільш великі;

• магма, що представляє собою нагріті до 1300 ° С розплавлені гірські породи.
За різними підрахунками, температура в центрі Землі становить, мінімум, 66500С. Швидкість охолодження Земля приблизно дорівнює 300-3500С в мільярд років. Земля містить 42 • 1012 Вт тепла, з яких 2% міститься в корі і 98% – у мантії та ядрі. Сучасні технології не дозволяють досягти тепла, яке знаходиться дуже глибоко, але й 840000000000 Вт (2%) доступною геотермальної енергії можуть забезпечити потреби людства на довгий час. Області навколо країв континентальних плит є найкращим місцем для будівництва геотермальних станцій, тому, що кора в таких зонах набагато тонше.
Згідно з оцінкою експертів з усіх відновлюваних джерел енергії найнижча ціна за 1кВт • год у ГеоЕС

(табл.1.1).

3.2 Особливості розподілу низкопотенциальной геотермальної енергії у вугленосній товщі

Розробку шахтним способом вугільних родовищ різних кам'яновугільних басейнів ведуть у великому діапазоні глибин від 150 ... 200м до 1300 ... 1500м і глибше. Шахти Південноафриканської республіки, Польщі, Чехії, України та деяких інших країн ведуть гірничі роботи в умовах температур породних масивів перевищують Тм = 35 ... 550С. Це набагато вище фізіологічно допустимого для людського організму верхнього температурного межі, що становить 25 ... 260С, що створює суттєві проблеми із забезпеченням безпечного та здорового мікроклімату на робочих місцях.

Так звана геотермічна ступінь (відстань, з поглибленням на яке відбувається збільшення температури порід на один градус) для багатьох родовищ дорівнює 30 ... 33 м, а гравітаційний температурний градієнт становить близько 20 ... 400С при зануренні на 1000м.

У ненарушенном гірському масиві, де існує термостатичне рівновагу, теплова енергія (Q, Дж.), що надходить з надр, може бути визначена по різниці температур в породних шарах з різними ізотермами:

де: S - площа через яку надходить тепловий потік, м2;

H - різниця глибин між ізотермами, м;

р - щільність масиву гірських порід, кг/м3;

с - теплоємність масиву гірських порід, Дж / (кг * град);

t - різниця температур між ізотермами, град.

Кількість енергії визначається переважно природними незмінними факторами, тільки площа потоку може бути обрана довільно. Тому більшість технологій використання геотермальної теплоти засновані на природних характеристиках середовища, коли, в першу чергу вибирають місця з високим градієнтом температур (малою різницею глибини між ізотермами).
Щільність теплового потоку визначають з приватного:

де: Q-теплова енергія, Дж.

S - площа, через яку надходить потік теплової енергії, м2;

τ - час дії теплового потоку, с.

Щільність енергетичного потоку обернено пропорційна площі, на якій вона розподілена, і тривалості її дії. Якщо взяти до уваги, що зміни планетарної геотермальної енергії найближчим часом не передбачається, то площа, з якої знімають теплоту, є домінуючим фактором.

У тому випадку, коли в породної товщі ведуть гірничі роботи, теплове рівновагу не зберігається. Порушення його обумовлено, періодичним проявом додаткових теплових джерел: вливаються вентиляційних потоків; мас нагрітого переміщуваного корисної копалини; тепла від працюючих гірських машин; руху водних потоків в трубопроводах і самопливом; екзотермічних реакцій окислення порід і гниття органіки; процесів метаболізму в організмах гірників; фазових переходів «рідина-газ»; геомеханічесіх та деяких інших процесів. Переважаюче значення має теплообмін між гірським масивом і переміщається в гірських виробках повітряним потоком. У діючих шахтах температура повітря не повинна бути вище допустимого правилами безпеки фізіологічного максимуму - ТФМ = 25 ... 260С. На глибоких горизонтах, де температура масиву гірських порід Тм> ТФМ зниження температури забезпечують або за рахунок застосування різних вентиляційних прийомів: інтенсифікації провітрювання, розбавлення потоків нагрітого повітря холодними, застосування кондиционирующих установок.

де: λ - коефіцієнт теплопровідності, Вт / (м • град);

Dt-різницю температур між ізотермами, град;

l - відстань між двома енергетичними рівнями, м.

У цьому випадку згладжується вплив деяких факторів, і стає очевидним, що щільність теплових потоків розподілена досить симетрично щодо вертикальної площини, проведеної через вісь виробітку (рис.1.5).

Щільність теплових потоків збільшується в міру наближення до контуру вироблення з глибини масиву, хоча абсолютна величина енергії - зменшується через зменшення температури. Наведені дані та результати спостережень інших дослідників показують, що під впливом гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів знижується рівень теплової енергії, що передається масивом гірських порід в поперечному перерізі гірничої виробки і приконтурного масиву.

Тим не менше, ряд дослідників стверджує на основі шахтних спостережень, що, при досить протяжному маршруті руху вентиляційного потоку, його температурний режим зберігається протягом декількох років і навіть десятиліть. Це дозволяє стверджувати, що існують такі умови, коли встановлюється динамічно рівноважний температурне поле, і відбір енергії з нього можна виробляти необмежений час.

У тектонічно-спокійних районах, за відсутності парогідротерм і неглибоко розташованих гарячих гірських порід використання шахтної енергії є в даний час найбільш перспективними невичерпним джерелом низкопотенциальной екологічно чистої енергії.

3.3 Витяг низькопотенціального тепла надр за допомогою шахтних геотермальних теплообмінників

Сформована у вугільній промисловості України кризова обстановка обумовлена ??як організаційно-технічними так природними факторами. За майже двовікової період розробки цінних кам'яновугільних родовищ Донбасу, що залягали на порівняно невеликих глибинах, потужні вугільні пласти вичерпані. Розробку середньої і малої потужності пластів доводиться здійснювати в метанової області вуглепородного масиву, при температурах щодо нестійких порід, що вміщають понад 30 ... 500С. Виїмка вугілля пов'язана з незворотними негативними наслідками екологічного характеру: мінералізацією поверхневих і підземних вод; викидами в атмосферу парникових і радіоактивних газів і аерозолів; деформаціями і вилученням під відвали поверхні. Результатом цього стало погіршення безпеки ведення гірничих робіт і зростання собівартості видобутого вугілля. Стан шахтного фонду та існуючі технології, поряд з організаційно-економічними проблемами, не дозволяють істотно змінити цю тенденцію. Один з можливих шляхів подолання кризи - застосування якісно нових технологічних підходів до розробки підземних родовищ.

Одним з екологічно чистих енергетичних джерел може бути теплота надр, яку видобувають із гірничодобувних підприємств. Підставою для такої пропозиції послужили результати багаторічних спостережень за температурою повітря, що рухається по протяжним вентиляційним маршрутами. Вітчизняні та зарубіжні дослідники встановили, що повітря, що проходить кілька кілометрів по підземних гірничих виробках, може нагріватися до температури навколишнього масиву. Такий тепловий режим залишається постійним протягом десятиліть, підживлює потоком теплоти надходить з нижніх шарів мантії планети. Вчені ДонНТУ встановили, що збільшити обсяг извлекаемой енергії можна, створюючи у відпрацьованих частинах гірського масиву, так звані, геотермальні теплообмінники. У перспективі представляється можливим використання на глибоких шахтах геотермальної енергії для технологічних цілей і для реалізації споживачам у вигляді електричної та теплової енергії, інших типів продукції.

Шахтний геотермальний теплообмінник (ШГТ) - сукупність гірських виробок, пройдених в гірському масиві з температурою порід Тм ~ 30 ... 50оС і вище, в яких відбувається вилучення теплоти надр шляхом нагрівання рухомого в виробках теплоносія, як правило, повітря чи води. Конфігурація мережі каналів може мати найрізноманітнішу схему: послідовну, паралельну, комбіновану.

Можна виділити кілька характерних режимів роботи теплообмінників. При проходці виробок - режим будівництва (РС), коли оголена поверхня вироблення охолоджується повітрям від температури масиву (Тм) до температури повітряного потоку (Тв) (рис.2.1). Тривалість такого стану (tc) визначається темпами проведення виробки і устаткування ШГТ. При експлуатації вироблення в якості ШГТ використовується основний режим "розрядки" акумулятора тепла або робочий режим (РР), гірський масив навколо каналів охолоджується за рахунок теплообміну з вентиляційним струменем від температури масиву (Тм) до деякої допустимої (Тд) за період (tр). Цьому передує період "вистоюванні" свежепройденной вироблення, тобто відновленні первісного температурного поля масиву від (Тв) до (Тм) або підготовчий режим (ПР) тривалістю (tп). Подібний період існування ШГТ необхідний для відновлення температури від (Тд) до (Тм) протягом розрахункового часу (tз) - режим "зарядки" акумулятора тепла (РЗ), при цьому охолоджена зона масиву прогрівається за рахунок теплопритоков з надр.

4 Теоретичні дослідження закономірностей зміни теплопровідності породного масиву

     Тривалість роботи ШГТ в експлуатаційному режимі визначається співвідношенням надходить з надр і що відводиться нагрітим носієм теплоти. У тому випадку, коли кількість уносимой теплоти менше або дорівнює кількості надходить, теплообмінник може нескінченно довго працювати в експлуатаційному режимі. Однак завдання забезпечення споживачів максимальною кількістю енергії вирішується за рахунок збільшення витрати теплоносія в ШГТ, що тягне за собою скорочення терміну його роботи в робочому режимі.

Інтенсивне охолодження стінок теплообмінника призводить до зниження температури під вміщає гірничу виробку породному масиві. Забезпечення сталості теплового стану породного масиву поблизу каналу теплообмінника можливо тільки за рахунок припливу тепла надр. З класичної фізики відомо, що кількість теплоти, передане шаром речовини товщини Δl площею S при підтримці на його площинах різниці температур ΔT за час t визначають з виразу:

де: λ-коефіцієнт теплопровідності речовини, вт / (м град).

Характеристикою теплопровідності середовища є коефіцієнт λ. Межа зміни цього показника для осадових гірських порід становить 0,2 <λ <12, в тому числі для пісковика 1,3 <λ <4,2, вапняку 1,0 <λ <2,3, аргіліту 1,5 <λ < 2,2. У шаруватих породах спостерігають більше значення коефіцієнта теплопровідності уздовж шаруватості в порівнянні з виміряним перпендикулярно до шаруватості. Коефіцієнт анізотропії теплопровідності шаруватих гірських порід складає в середньому 1,1 ... 1,5.

Ці показники притаманні суцільним непошкодженими тріщинами масивам гірських порід. У тому випадку, коли середовище розділена тріщинами, цей показник зменшується приблизно на два порядки, так як між берегами тріщин знаходиться повітря (λ = 0,026) або інший газ, з приблизно таким же рівнем теплопровідності. Теплоперенос в тріщинуватих масивах відбувається через точкові породні контакти та газові заповнювачі порожнин тріщин. Інтенсивність процесу визначається співвідношенням площ контактують і розділених газом поверхонь. Поблизу контуру виробки трещиноватость має величину більше ніж у масиві, так як під дією сил гірського тиску в приконтурної області породи руйнуються, і збільшується число тріщин, що припадають на одиницю площі, а також ширина їх розкриття, тобто товщина газових шарів через які здійснюється теплоперенос. У незайманому гірничими роботами масиві число тріщин значно менше, ширина їх розкриття невелика, а, отже, коефіцієнт теплопровідності набагато більше. Крім того, в газоносних середовищах, до яких відносяться вугленосні породні товщі, адсорбовані на твердих поверхнях полімолекулярного шари згущеного газу забезпечують підвищену щодо вільного газу теплопровідність. Тому мікротріщини і мікропори, ширина розкриття яких менше довжини вільного пробігу молекул газу, можна представити як заліковані порожнини з підвищеним значенням λ.

Виключно велику роль грає форма й орієнтація порожнин в породах. Якщо вони подібні пластин (тріщини) то теплопровідність значно знижується при розташуванні порожнин перпендикулярно тепловому потоку. Макротріщини дислоковані, переважно, в місцях геологічних порушень масивів і в зонах впливу гірничих виробок на вміщають їх породи. Так навколо контуру підготовчої виробки під дією сил гірського тиску формується зона руйнувань гірських порід розділених макротріщин.

Дослідженнями встановлено, що в процесі проведення і подальшої підтримки підготовчих гірничих виробок в їхніх боках відбувається розвиток існуючих в масиві мікротріщин і перехід їх у розряд макротріщин. Одночасно, розвиваються системи техногенних макротріщин, орієнтованих паралельно породному контуру і в напрямку радіальному до осі виробки. Наявність такого роду розривів суцільності порід призводить до різкого погіршення теплопровідності середовища.

Інтегральним показником, що характеризує загальну трещиноватость середовища, прийнято вважати коефіцієнт трещинной пустотности Ктп, який показує яку частину обсягу гірської породи, складають порожнини тріщин. Схематичне уявлення про зміну характеру Ктп в боках гірських виробок, стосовно до питання про виникнення ендогенних пожеж наведено малюнку 3.12.

У незайманому масиві існує розвинена складається з декількох систем мережу мікротріщин, цьому стану масиву відповідає деяке значення коефіцієнта трещинной пустотности Ктп0. При проведенні гірничої виробки відбувається утворення нових мікротріщин, розкриття вже існуючих і їх перехід в розряд макротріщин. Обсяг трещинной пустотности по експоненційної залежності зменшується від контуру виробки в глибину масиву. Поблизу контуру виробки обсяг макротріщин превалює над обсягом мікротріщин (Lmin). З видаленням вглиб масиву зростає обсяг мікротріщинуватості, і на деякій відстані (Lmax), відповідному зоні впливу гірничих робіт, обсяг макротріщин буде незрівнянно малий у порівнянні з об'ємом мікротріщин.

Ці дані показують, що наявність тріщинуватості може істотно знизити теплопровідність гірського масиву і, відповідно, зменшити потужність шахтного геотермального теплообмінника. Для практичних розрахунків при значеннях пористості (Р) не більше 20% запропоновано використовувати залежність кубічного типу:

.

Пористість породного масиву може змінюватися 0,03 <Р <0,2, згідно виразу 3.33 коефіцієнт теплопровідності становитиме - 0,91 <λ0 <0,512. Орієнтація тріщин паралельно контуру гірничої виробки визначає зменшення теплових потоків саме в напрямку порожнини цієї вироблення, що суперечить нашим прагненням.

Рисунок 3.12 – Схема розподілу коефіцієнта трещинной пустотности (Ктп) в боках гірничої виробки: КТПО - фоновий рівень трещинной пустотности в незайманому масиві, Lmax, L min - межі відповідно максимального і мінімального розвитку макротрещіноватості.

   Істотно підвищує значення коефіцієнта теплопровідності λ присутність в гірських породах води. У рідинному стані вона може міститися в породах у вигляді плівок і у вільному вигляді. Заповнюючи пори і порожнини, у разі насичення порід, вода може підвищувати теплопровідність масивів вище значень, характерних для сухих монолітних зразків. Гравітаційна вода міститься в підстилаючих підготовчу вироблення тріщинуватих гірських породах. Крім того, через високу вологість шахтного повітря (відносна вологість більше 80%) у відкритих порах і тріщинах мається гігроскопічна волога.

Наявність води, що стікає на грунт виробки, дозволяє поліпшити теплообмін і збільшити потужність теплового потоку, переданого з надр в теплоносій. Як показують розрахунки гірські породи, що мають значну величину пористості і високу вологість, характеризуються величиною приблизно вдвічі більшою, ніж у сухих зразків тріщинуватих порід (рис.3.13).

Розглянуто питання про штучному збільшенні коефіцієнта теплопровідності тріщинуватих гірських порід. Це можливо в тому випадку, коли відкриті макротріщини заповнюють здатним тверднути складом (тобто зменшувати пористість середовища) мають більше ніж води. Такими характеристиками володіє, наприклад, суспензія бентонітової глини 0,7 << 0,98. Особливо збільшує значення коефіцієнта теплопровідності додавання в суспензію тонкодисперсного порошку графіту, що має унікальний показник 116 << 174. Таким чином, нагнітання суспензії бентонітової глини з графітом і добавками ПАВ, для кращого змочування поверхні пор і тріщин, в навколишній вироблення масив дозволяє скоротити негативний вплив техногенної та природної тріщинуватості і забезпечити поліпшення теплових характеристик ШГТ. У цьому випадку теплопровідність обробленої породи істотно збільшується, а відповідно зростає потужність ШГТ. При цьому регулювання теплових властивостей масиву можна здійснювати в досить широкому діапазоні.

5 Експериментальні дослідження підвищення теплопровідності приконтурних порід

Експериментальним шляхом була встановлена ??і доведена можливість застосування глино-графитной суміші в якості теплопроводящей складу. Для проведення експерименту були приготовлені 40 зразків з різною концентрацією графітового порошку (0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 50%, 75% і 100%). Приготування зразків здійснюється в лабораторії з використанням преса. Проведення безпосередніх вимірювань здійснювалося згідно ГОСТ 25493-82. Крім того, були проведені вимірювання коефіцієнта теплопровідності глино-графитной суміші в зволоженому стані. Для цього зразки поміщалися в ексикатор над поверхнею води і витримувалися в ньому до досягнення максимального ступеня водонасичення, яка визначалася щодо збільшення ваги зразка. Отримані коефіцієнти теплопровідності зволоженою глино-графитной суміші представлені в табл. 1.

Таблиця 1 – Вплив вмісту графіту на величину коефіцієнта теплопровідності сухої і зволоженою глино-графитной суміші.

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 чином, очевидна ефективність застосування глино-графитной суміші для збільшення коефіцієнта теплопровідності. Зниження коефіцієнта теплопровідності зволожених зразків з концентрацією графітового порошку 75% і 100% обумовлено, насамперед, властивістю гідрофобності графітового порошку.
На рис.2 представлені графіки залежності коефіцієнта теплопровідності сухої і зволоженою глино-графитной суміші від концентрації графітового порошку. При цьому залежність коефіцієнта теплопровідності сухої глино-графитной суміші описується формулою

y = 5,2945 е0, 0113х
з коефіцієнтом парної кореляції / r / = 0,95.
Залежність коефіцієнта теплопровідності зволоженою глино-графитной суміші від вмісту графіту описується формулою:

y = -0,0016 х2 +0,2403 х +5,3171
з коефіцієнтом парної кореляції / r / = 0,87.

Рисунок 2 – Залежність коефіцієнта теплопровідності від вмісту графіту в глино-графитной суміші.

Представлені результати випробувань і отримані залежності дозволяють зробити висновок, що існує оптимальне значення вмісту графіту в глино-графитной суміші, при якому теплопровідність суміші в зволоженому стані максимальна. Для використаних в експерименті відходів графіту його оптимальний вміст в зволоженою суміші становить 75% мас. Отримані результати можуть бути використані для обгрунтування складу теплопроводящей наповнювача анкерного кріплення, що дозволить збільшити ефективність передачі тепла з масиву гірських порід теплоносію при витяганні геотермального тепла з виробок глибоких шахт.

6 Удосконалення конструкції геотермального теплообмінника

На підставі експериментальних досліджень був запропонований спосіб анкерного кріплення, що складається в наступному (рис.1). Спочатку аналітично розраховуються глибини зони руйнуються порід lt, замкової частини lz і шпура в цілому lш. Потім по контуру вироблення 1 в породний масив 2 буряться шпури глибиною lш і діаметром D2, більшим ніж діаметр анкера 3 D1. Після цього шпури разбуріваемого на глибину lt до діаметра D3, причому діаметр теплопровідної частини шпуру повинен бути не менше двох діаметрів анкера 3 D3 ≥ 2D1. При виконанні цієї умови зростання теплового потоку через систему «анкер - наповнювач» в порожнину вироблення найбільш значний.

Після цього шпури заповнюються на довжину замкової частини ампулами 7 зі смолою і закрепителем, за допомогою анкера 3 вміст ампул перемішується і таким чином анкер закріплюється в шпуре. Одночасно з цим готується теплопровідний наповнювач 4 з підвищеним коефіцієнтом теплопровідності λt. Як наповнювач може бути використана суміш бентонітової глини і порошкоподібного графіту. Сухі компоненти суміші заздалегідь змішуються у співвідношенні 4:1 по масі, що визначає необхідну величину коефіцієнта теплопровідності. Потім суха суміш зачиняється водою до консистенції густої суспензії і нагнітається за допомогою шламових насосів в теплопровідну частина шпурів.

З боку вироблення здійснюється установка опорної шайби 5 між стінкою вироблення 1 і гайкою 6. Для кращого теплообміну між системою «анкер - наповнювач» і повітрям в порожнині вироблення 1, опорна шайба 5 може бути виконана з металу у вигляді радіатора - деталі з розвиненою зовнішньою поверхнею , що збільшує кондуктивний теплообмін між системою «анкер - наповнювач» і теплоносієм шахтного геотермального теплообмінника і сприяє інтенсифікації процесу.

Рисунок 1 – Спосіб анкерного кріплення виробки: 1 - підготовча виробка; 2 - породний масив; 3 - анкер; 4 - теплопровідний наповнювач шпура; 5 - опорна шайба; 6 - гайка; 7 - швидкотверднучий склад; D1, D2, D3 - діаметри, відповідно, анкера, шпура в замкової частини, шпура в теплопроводящей частини; lш, lz, lt - довжини, відповідно, шпура, замкової і теплопровідної частин шпура.

Замкова частина анкера 3 розташовується при цьому за межами тріщинуватою області, навколишнього вироблення 1, тобто в області температур гірського масиву. Анкер 3 є провідником теплової енергії, інтенсивно проводячи її в область знижених температур - в порожнину вироблення 1. Потужність теплового потоку прямо пропорційна площі перерізу провідного каналу. Однак з точки зору економії металу використовувати анкери великого перерізу нераціонально. Тому раціонально застосовувати комбіновані пристрої, які поєднують несучі стрижні з міцних матеріалів і навколишні їх теплопроводящие елементи, що мають допоміжне значення як несучі, а також забезпечують підвищену теплопровідність. Після затвердіння теплопровідної суміші навколо анкерів 3 в шпурах утворюються зони з підвищеною теплопровідністю. Застосування запропонованого способу кріплення дозволило оцінити збільшення температури в гірничій виробці. Пластова підготовча виробка 1 розміром В = 5,0 м і Н = 3,0 м проходилася на глибині 1000 м в породах з середньозваженою міцністю R = 30 МПа за допомогою прохідницького комбайна. Вміщують породи були представлені пісковиком з середнім коефіцієнтом теплопровідності λвп = 3,4 Вт / (м град), їх температура становила 42оС. Збільшення ефективності передачі тепла з масиву гірських порід контролювали по температурі опорної шайби 5. При кріпленні виробки звичайним способом її температура становила 29оС. Було пробурено 4 шпура: № 1 - закріплений звичайним способом, № 2, 3, 4 - за допомогою теплопроводящей складу діаметром відповідно 36, 50, 72 мм

Потужність теплового потоку Q, Дж / c, що передається через такі анкерні системи, визначалася за формулою:

,                                       

де? Т - зміна температури на опорній шайбі, оС;

lt - глибина зони руйнуються порід, м;

t - час, с;

λа, λt - коефіцієнти теплопровідності, відповідно, анкера 3 і теплопроводящей наповнювача 4, Вт / (м К);

D1, D3 - діаметри, відповідно, анкера 3 і шпура в теплопровідної частини.

Найбільш інтенсивне зростання теплового потоку, а, отже, і температури спостерігався при діаметрі шпура в теплопроводящей частини D3 не менш ніж у два рази більшому діаметру тіла анкера 3 D1.

Результати шахтного експерименту зведені в таблицю 1.

Таблиця 1 – Зміна температури опорної шайби залежності від діаметра шпуру з теплопровідним

№ 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 чином, використання запропонованого способу забезпечує вдосконалення способу анкерного кріплення виробки, в якому за рахунок буріння на ділянці зруйнованих порід шпурів діаметром не менше двох діаметрів анкера, заповнення зазору між ним і стінкою шпура теплопровідними наповнювачем після закріплення анкера і установки опорної шайби, яка має розгалужену поверхню для теплообміну з повітрям вироблення, забезпечується збільшення коефіцієнта теплопровідності гірських порід, що вміщають вироблення-канал, що дозволяє збільшити ефективність передачі тепла з масиву гірських порід теплоносію.

Список літератури:

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.