НАЗАД

УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМА ИЗВЛЕКАЕМОЙ ШАХТНЫМ ГЕОТЕРМАЛЬНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ ЭНЕРГИИ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ

Шипика А. С.,  Салехирадж С., Завьялова Е.Л.

  Во всем мире обострилась проблема обеспечения промышленности и населения энергией. Это обусловлено исчерпанием широко используемых углеводородных ресурсов, таких как нефть и природный газ, низкой техногенной безопасностью современных атомных электростанций и негативными экологическими последствиями работы установок, использующих уголь. Неисчерпаемые в обозримом будущем и экологически безвредные виды энергии, а именно солнечная, ветровая, приливная и другие становятся все более актуальными. К ним относится и геотермальная энергия, обусловленная происходящими в недрах планеты и сопровождающимися выделением колоссальной теплоты радиохимическими и механическими процессами. Поступая к поверхности, эта теплота вместе с солнечной и техногенной обеспечивает климатический баланс Земли.
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.
Обеспечить извлечение энергии предполагается, создавая в отработанных частях горного массива, так называемые, шахтные геотермальные теплообменники (ШГТ).  Они представляют собой систему каналов-выработок в выработанном пространстве лавы, по которым движется теплоноситель, как правило, воздух (рис. 1).
  Лабиринтная конфигурация сети каналов может иметь самую разнообразную схему: последовательную, параллельную, комбинированную. Она должна гарантировать нагрев проходящего через нее воздуха до температуры окружающих пород в течение нескольких десятков лет.
  Необходимая конфигурация сети каналов создается с помощью вентиляционных сооружений, в основном перемычек. Производя переключение потоков, с их помощью можно обеспечивать рекреацию отдельных участков теплообменника, увеличивая продолжительность его функционирования. Создание каналов в выработанном пространстве в настоящее время не представляет технических трудностей. Сотрудниками ДонНТУ были разработаны и широко апробированы в условиях глубоких шахт способы проведения  и охраны подготовительных выработок в выработанном пространстве. Кроме того, известны технологические схемы выемки угля с неполной закладкой выработанного пространства, остающиеся при этом незабученные участки могут служить каналами. Системы разработки крутопадающих и наклонных пластов позволяют бурить в выработанном пространстве скважины большого диаметра. Крепь выработок-каналов может быть не столь плотной и не обеспечивать значительного отпора горному давлению, так как в каналах не требуется пребывания людей, а в случае завала отдельные ветви лабиринта можно выключать из сети.

Рис. 1. Схема геотермального теплообменника в выработанном пространстве, образовавшемся после выемки угля

  После того, как воздух проходит по лабиринту каналов, нагретый до температуры горного массива он поступает в трансформатор энергии, это может быть тепловой насос, вихревая труба, турбохолодильник или устройство другого типа. Происходит разделение потока на две струи - горячую и холодную. Первую из них можно использовать для получения электроэнергии путем прямого превращения тепла в электричество или с помощью паротурбинной установки. Газ, нагретый выше температуры кипения воды можно использовать для выпаривания высокоминерализованной шахтной.
  Однако вокруг контура подготовительной выработки под действием сил горного давления формируется зона разрушений горных пород 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. Пористость породного массива может изменяться 0,03<Р<0,2, а коэффициент теплопроводности будет составлять - 0,91<λ0<0,512, где λ0 - коэффициент теплопроводности монолитного образца горной породы.
  Как показывают расчеты горные породы, имеющие значительную величину пористости и высокую влажность, характеризуются величинойтеплопроводности примерно вдвое большей, чем у сухих образцов трещиноватых пород. В результате этого для прогрева воздуха, движущигося по каналам ШГТ, до температуры горного массива будет необходимо увеличить длину последних, при этом интенсивность извлечения тепла горных выработок снизится.
  В случае заполнения трещин искусственным материалом, например суспензией бентонитовой глины с добавлением графитового порошка, происходит увеличение коэффициента теплопроводности массива. При этом чем больше была исходная трещиноватость массива, тем выше становится способность проводить тепло после нагнетания (рис.2).
Ктп
Рис.2. Изменение коэффициента теплопроводности трещиноватого массива  с показателем трещинной пустотности Ктп после обработки глино - графитной суспензией: сплошная линия – песчаник; пунктир – алевролит.

Заполнение трещин определяет увеличение коэффициента теплопроводности выше, чем у исходной горной породы. Чем выше нарушенность массива после поведения горных работ, тем лучшие условия теплопроводности можно обеспечить, заполняя трещины глино-графитной суспензией и гравитационной водой (рис.3).

Рис.3. Способы улучшения теплопроводных свойств вмещающего выработку породного массива: 1 – контур выработки; 2 – шпур для нагнетания суспензии; 3 – область заполненных суспензией трещиноватых пород; 4- область заполненных гравитационной и капиллярной влагой трещин
   В результате увеличения теплопроводности породного массива увеличится температура стенок горных выработок, таким образом, повысится интенсивность теплообмена между теплоносителем и стенками каналов ШГТ, а следовательно, увеличится объем извлекаемой энергии из горных выработок глубоких шахт.