Технологи использования низкопотенциальной тепловой энергии угольных шахт

1. 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 в условиях температур породных массивов превышающих Т_м=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 [17,18]:

, (3.1)

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

D H – разница глубин между изотермами, м;

ρ – плотность массива горных пород, кг/м³;

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

D t – разность температур между изотермами, град.

Как видно из выражения количество энергии определяется преимущественно природными неизменными факторами, только площадь потока может быть выбрана произвольно. 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 (3.2)

где: Q- тепловая энергия, Дж.

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

τ - время действия теплового потока, с.

Из выражения (3.2) следует, что 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– Т_фм=25…26⁰С. На глубоких горизонтах, где температура массива горных пород Т_м > Т_фм снижение температуры обеспечивают либо за счет применения различных вентиляционных приемов: интенсификации проветривания, разбавления потоков нагретого воздуха холодными, применения кондиционирующих установок и т.п.

Результатом процесса тепломассопереноса между твердыми и газообразными средами является охлаждение горного массива и нагрев воздуха. Подготовительные и очистные выработки опоясывает область охлажденных пород. В качестве примера можно рассмотреть распределение изотерм в породах, окружающих полевой парный и пластовый штреки горизонта 1030м польской шахты «Халемба» [17]:(рис. 1.5). На контуре горной выработки температура составляла 25…30⁰С в то время как в глубине массива Тм=41⁰С. Как известно, интенсивность теплообмена между стенками и носителем в теплообменниках определяется, в первую очередь, разностью температур в местах их контакта [18]. Поэтому следует стремиться к обеспечению максимального уровня температуры на стенках горных выработок. Ассиметричное положение изотерм можно объяснить влиянием угла падения горных пород и их тепловыми свойствами.

а)

б)

Рис.3.1. Температурные поля в породах, окружающих полевой (а) и пластовый (б) штреки горизонта 1030м на шахте «Халемба»: 1,2…5 – номера скважин для исследования температуры.

Симметрия наблюдается, если произвести пересчет и определить плотность тепловых потоков согласно выражению:

, Вт/м² (3.3)

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

D t – 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.3.2).

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 [19,20] 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.

а)

б)

Рис. 3.2. Распределение плотности тепловых потоков (q, Вт/м²) в окружающих горные выработки (см. рис. 3.1) 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.

2. Шахтный геотермальный теплообменник (ШГТ)

Идея использования тепла недр угольных шахт не нова. Многие исследователи обращали внимание на то, что выдаваемые на поверхность вентиляционная струя, горная масса, откачиваемая вода имеют температуру выше, чем на поверхности. Были предприняты попытки использования этого низкопотенциального тепла для обогревания административных и производственных зданий, на некоторых предприятиях вентиляционный воздух использовали для обогрева шахтных теплиц и оранжерей. На шахте «Благодатная» объединения «Павлоградуголь» работает тепловой насос мощностью около 800 кВт, использующий в качестве энергетического ресурса теплоту откачиваемой из шахты воды.

Однако широкое применение геотермальной энергии шахт ограничено жесткими требованиями нормативных документов к температуре шахтного воздуха. В местах нахождения людей, для предотвращения их теплового поражения, она не должна превышать 26⁰С. В связи с этим температура выдаваемых из шахты воды, воздуха, горной массы также не более этого показателя. Основным способом снижения температуры воздуха в шахтах остается разбавление его более холодным – свежим, что влечет за собой необходимость подачи под землю избыточного воздуха, а, следовательно, расходования для этого дополнительного количества электроэнергии. Потребление дополнительной энергии связано с расходованием невосполнимых энергетических ресурсов, таких как природный газ, мазут, уголь, уран, что является значительным экологическим и экономическим ущербом.

Учеными ДонНТУ предложен способ использования низкопотенциальной энергии поступающей из недр снимаемой теплоносителем со стенок горных выработок. Существо предлагаемой идеи состоит в сбрасывании избыточного тепла в созданные на действующих шахтах в специальные участки сети горных выработок, в которых воздух может нагреваться до температуры горного массива. Для размещения таких выработок предложено использовать выработанные пространства, где запасы полезного ископаемого извлечены. В этих выработках не выполняются какие-либо технологические процессы, отсутствуют постоянные рабочие места и маршруты передвижения людей, в том числе горного надзора. Аналогично подобным помещениям на атомных электростанциях доступ персонала в такие выработки возможен только на непродолжительное время после их охлаждения или в средствах индивидуальной защиты людей от теплового поражения.

При реализации предложения потоки воздуха планируют следующим образом. Поступающий в шахту свежий воздух подают на рабочие места. После проветривания забоев исходящая вентиляционная струя поступает в вышеназванные специальные горные выработки (назовем их шахтным геотермальным теплообменником – ШГТ). Туда же направляют полученное в установках кондиционирования тепло, например горячую воду или воздух. Нагретый воздух выбрасывают из шахты по отдельным вентиляционным стволам или скважинам. Необходимым по экономическим и экологическим соображениям условием работы таких установок является рациональное применение накопленной в этих выработках тепловой энергии.

В таких условиях теплосъем может производиться десятки и сотни лет, так как источник теплоты будет существовать в обозримом будущем. Длительность существования такого типа установок определяется только устойчивостью горных выработок, в которых осуществляется теплопередача. При использовании предложения ДонНТУ отпадает необходимость снижать температуру отводимого воздуха. Поэтому в нем можно накапливать гораздо более концентрированную тепловую энергию, подняв температуру воздуха до Т_м. Использование этого тепла для выполнения какой-либо работы или утилизация его на предприятии позволяет отказаться от расходования невосполнимых энергетических ресурсов для проветривания шахты, а также получить дополнительный доход и снизить, тем самым, себестоимость основной продукции. В отличие от скважинных технологий в этом способе процесс теплообмена является контролируемым, угроза суффозии или кольматации – отсутствует.

В связи с изложенным возникает необходимость разработки таких технических средств и технологических решений, которые позволили бы при использовании ШГТ обеспечить наибольший экономический и экологический эффект. Решение такой задачи возможно на основе разработки конструктивных решений, позволяющих обеспечить наилучший доступ тепла из массива к контуру горной выработки. Кроме того необходимо разработать топологические схемы, позволяющие оперативно управлять логистикой тепловых потоков для непрерывной подачи максимальной энергии потребителю.

3. Режимы работы шахтных геотермальных теплообменников

Шахтный геотермальный теплообменник (ШГТ) – совокупность горных выработок, пройденных в горном массиве с температурой пород Т_м~30…50^оС 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 (Т_м) до температуры воздушного потока (Т_в) (рис.1.7). Продолжительность такого состояния (t_c) 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 (Т_м) до некоторой допустимой (Т_д) за период (t_р). Этому предшествует период “выстаивании” свежепройденной выработки, т.е. восстановлении первоначального температурного поля массива от (Т_в) до (Т_м) или подготовительный режим (ПР) продолжительностью (t_п). Подобный период существования ШГТ необходим для восстановления температуры от (Т_д) до (Т_м) в течение расчетного времени (t_з) - режим “зарядки” аккумулятора тепла (РЗ), при этом охлажденная зона массива прогревается за счет теплопритоков из недр.

Рис. 3.3. Изменение температуры (Т) на поверхности канала шахтного геотермального теплообменника в периоды: строительства (t_с); подготовки к работе (t_п); работы (t_р); зарядки (t_з): Т_м, Т_в, Т_д – температуры, соответственно, массива, теплоносителя (воздуха), допустимого охлаждения стенок канала.

Режимы зарядки и рабочий чередуются в продолжение всего периода нормальной (штатной) эксплуатации ШГТ.

Коэффициент эффективности ШГТ. Критерием эффективности работы ШГТ является, очевидно, условие максимальности количества тепла, переданного горным массивом воздушному потоку.

С увеличением времени эксплуатационного режима ШГТ, его эффективность сначала растет, затем снижается. Зависимость от длины канала аналогична. При коротких каналах теплоноситель не успеет прогрется до температуры массива, при длинных каналах, позволяющих ШГТ эффективно работать при более продолжительных эксплуатационных циклах, растут капитальные и эксплуатационные затраты. Таким образом, необходимо определить оптимальные значения для этих параметров.

Расчеты показали, что для и средних для Донбасса значениях теплофизических параметров, оптимальный режим соответствует длине каналов до 6750м и времени работы ШГТ от 1,2 месяца до полутора лет.

С ростом скорости движения воздушного потока (или его расхода ) уменьшается. Физический смысл состоит в том, что воздух, двигаясь быстрее, меньшее время получает от горного массива тепло. Поэтому оптимизация по скорости движения потока должна осуществляться на основе компромисса между тенденцией роста при снижении и роста при увеличении .

4. Логистика потоков теплоносителя

Топология сетей подземных горных выработок угольных шахт во многом определяет характеристики и свойства вентиляционных потоков. Например, скорость движения воздуха в выработках зависит, в первую очередь, от их протяженности, площади поперечного сечения и величины депрессии (напора) между началом и концом пути, а также от числа параллельных ветвей в сети, по которой он движется. Применительно к вопросу теплообмена между вмещающими горную выработку породами и потоком воздуха в ней, следует отметить, что такие показатели как массовый расход теплоносителя и продолжительность нахождения его в выработке являются сугубо вентиляционными характеристиками и могут быть достаточно точно описаны классическими зависимостями гидравлики. К числу таких уравнений следует отнести, прежде всего, те, которые определяют неразрывность потоков, соотношение между расходом газов в канале, перепадом давления в нем и его размерами (протяженность, площадь живого сечения, шероховатость стенок и т.п.). Используя зависимости гидродинамики можно выполнить предварительный анализ и выбрать наиболее эффективные схемы построения шахтных геотермальных теплообменников (ШГТ).

Простейшим видом конфигурации теплообменника является линейный (рис.3.4). Теоретически было установлено, что важнейшей характеристикой ШГТ, имеющего определенные размеры поперечного сечения и депрессию является минимальная длина L_то, при которой поступающий в выработку с температурой Т_вх воздух нагревается до температуры Т_вых, примерноравной температуре массива Т_м на данной глубине. При рациональном соотношении параметров теплообменника наступает динамическое равновесие между количеством тепловой энергии поступающей из недр и отводимой вентиляционным потоком. В этом случае ШГТ может бесконечно долго функционировать в стабильном режиме, срок его службы t определяется устойчивостью составляющих его конструкцию горных выработок.

Рис.3.4. Схема шахтного геотермального теплообменника линейной конфигурации: L_{то –}протяженность участка теплообменника на которой происходит нагревание поступающего воздуха от температуры Т_вхдо Т_вых близкой к температуре массива; I, II, III…n –участки теплообменника равные по протяженности L_то

Количество приобретаемой в ШГТ удельной теплоты (Q, дж) можно определить из выражения:

, (3.3)

где m – масса теплоносителя, в нашем случае – воздуха, кг; с – его удельная теплоемкость, дж/(кг град); = Т_вых -Т_вх - разность температур рабочего тела на входе и выходе ШГТ, град.

Если принять, что для конкретного теплообменника теплоемкость носителя (с) и разность температур ( ) являются величинами практически постоянными, то регулирование мощности ШГТ можно осуществлять только изменением массы (m) теплоносителя. Принимая во внимание, что процесс нагревания воздуха происходит во время его движения в канале – горной выработке, следует учитывать следующее. Через поперечное сечение выработки, имеющее площадь S, м², воздух, имеющий плотность ρ, кг/м³, проходит со скоростью v, м/с, Эти величины определяют массовый расход теплоносителя в ШГТ:

, кг/с (3.4)

При интенсификации потребления энергии, когда расход потребляемой энергии превышает подпитывающий ее приток из недр, происходит истощение ресурсов теплообменника на участке L_то за период t₀. Если общая протяженность теплообменника превышает длину L_то, то будет происходить перенос зоны теплообмена на более удаленные от входа участки ШГТ (рис.3.5). Продолжительность интенсивной работы теплообменника такого типа в эффективном режиме (t_i) определяется соотношением его общей длины к протяженности участка L_то.

, (3.5)

Рис.3.5. Динамика нагревания воздуха в теплообменнике линейной конфигурации при интенсивном режиме работы: I, II, III – последовательное положение зоны активного нагревания теплоносителя по мере истощения ресурсов.

После полного истощения ресурсов всего ШГТ температура на выходе Т_вых станет меньше температуры массива Т_м, и теплообменник следует перевести в режим рекреации или «подзарядки». Который заключается в прекращении подачи теплоносителя до восстановления температуры стенок выработок до уровня Т_мпо всей длине канала.

Недостатком такого типа ШГТ является необходимость иметь каналы теплообмена большой протяженности, что сопряжено со значительными капитальными затратами на их проходку. Этот недостаток в значительной степени уменьшается при использовании отработанных горных выработок шахт. В таком случае отпадает необходимость специального проведения выработок. Сооружение ШГТ сводится к модернизации крепи горных выработок с целью увеличения срока их существования и улучшения теплообмена, а эксплуатационные затраты - к текущим расходам на поддержание.

Другой недостаток ШГТ линейного типа состоит в необходимости сооружения дополнительного теплообменника для обеспечения энергоснабжения в период рекреации основного. При этом затраты на проведение или модернизацию выработок и их поддержание возрастают в два и более раз.

Использование ШГТ параллельной конфигурации (рис.3.6) позволяет увеличить мощность теплообменника в силу того, что массовый расход теплоносителя пропорционален числу параллельных каналов .

Рис.3.6. Схема шахтного геотермального теплообменника параллельной конфигурации: обозначения как на рис.3.4.

Если соорудить ШГТ, состоящий из n параллельных выработок, имеющих одинаковые площади поперечного сечения и длины L_то, или из выработок различного сечения, но имеющих длину соответствующую обеспечению нагрева теплоносителя до температуры горного массива, то массовый расход теплоносителя будет равен суммарному расходу каждой ветви:

, (3.6)

где m_i - массовый расход теплоносителя в отдельной ветви, n- число параллельных ветвей.

Достоинством ШГТ параллельной конфигурации является возможность получения значительного количества тепловой энергии за тот же отрезок времени. Проблема состоит в необходимости иметь значительное количество горных выработок.

Основным недостатком рассмотренных конструкций ШГТ является необходимость остановки их на рекреацию, что не позволяет обеспечить бесперебойное теплоснабжение потребителей.

Выходом из такой ситуации является создание теплообменников с изменяемой конфигурацией, содержащих фрагменты линейной и параллельной конфигурации. При этом он содержит дополнительные регулирующие элементы, с помощью которых можно перераспределять потоки теплоносителя в различные ветви (рис.3.7). В качестве таких регуляторов можно использовать вентиляционные сооружения: перемычки, двери, кроссинги и т.п.

Рис.3.7. Схема ШГТ комбинированной конфигурации: I-V – номера ветвей; - регулирующие элементы.

Например, представленный на рисунке 1.11 ШГТ имеет два контура параллельных ветвей I-II и III-IV, С помощью регуляторов можно направлять воздух по одной из ветвей контура, как показано на рисунке, или одновременно по двум. Это позволяет выбирать необходимую мощность ШГТ. Так при параллельной работе ветвей она будет максимальной. В том случае, когда теплоноситель подают по одной из параллельных ветвей, мощность будет ниже, но поочередно переводя одну из параллельных ветвей в рекреационный режим можно обеспечить непрерывную работу ШГТ. Следует подчеркнуть, что параллельные участки ШГТ должны располагаться в начале маршрута движения нагреваемого воздуха. Они в наибольшей мере подвержены охлаждению, поэтому им чаще необходима рекреация.

Таким образом, проведенный анализ показал, что продолжительность работы ШГТ линейной конфигурации определяется протяженностью канала теплообменника и при определенном соотношении потребляемой мощности и длины канала, при определенных соотношениях условий возможно динамическое равновесие между поступающей из недр и отбираемой теплоносителем энергией. Существенное значение, при этом, имеет интенсивность теплообмена между поверхностью выработки и находящимися в глубине массива породами.

Для увеличения теплосъема целесообразно выбрать параллельную конфигурацию ШГТ, так как величина извлекаемой из недр энергии определяется массовым расходом теплоносителя.

Существенный недостаток геотермальных теплообменников, заключающийся в истощении теплоты при интенсивном теплосъеме, следует предотвращать путем создания ШГТ с комбинированными конфигурациями, сочетающими последовательные и параллельные схемы. Непрерывность работы ШГТ такого вида обеспечивается путем периодического отключения отдельных параллельных ветвей для рекреации, и использовании при этом остальных ветвей для продуктивной работы. В ШГТ комбинированного типа параллельные ветви следует располагать в начале маршрута движения нагреваемого воздуха, переключением режимов работы параллельных ветвей обеспечивается непрерывная работа теплообменника. Наиболее приемлема схема, сочетающая два контура параллельных ветвей, при этом в первом контуре, где разность температур пород и воздуха ( ) наибольшая, число ветвей больше чем во втором. Например, схема, содержащая три параллельных канала в первом контуре и два - во втором (рис. 3.8), позволяет чаше переводить в рекреационный режим каналы первого контура, которые остывают быстрее, чем во втором.

Рис.3.8. Наиболее рациональная схема ШГТ: I-V – номера ветвей; - регулирующие элементы.

В последнем из них переключения происходят гораздо реже. Для обеспечения необходимого уровня нагрева теплоносителя до температуры массива протяженность каналов в каждом контуре должна составлять не менее половины минимальной длины ШГТ - L_то/2.

На практике реализация такого технического решения может быть выполнена, например, путем проведения каналов между вентиляционным и откаточным горизонтом в выработанном пространстве лавы (рис.3.9)

В данном случае представлен вариант подачи теплоносителя в ШГТ через вентиляционный штрек и выдача нагретого воздуха через фланговую выработку. Теплообменные каналы проведены в выработанном пространстве по обрушенным и уплотненным породам кровли пласта. Изменяя угол наклона выработок в плоскости напластования, можно отрегулировать длину канала до необходимой величины, к примеру, до L_то/2.

Рис.3.9. Пример реализации ШГТ по приведенной на рис.4.6 схеме в выработанном пространстве: 1,2 – соответственно бывшие конвейерный и вентиляционный штреки отработанной лавы; 3,5 – дистанционно управляемые, соответственно, закрытые и открытые вентиляционные двери; 4 – шлюзы, разделяющие контуры.

Это производят еще на этапе проектирования ШГТ из соотношения

, (3.7)

где: L_л – длина лавы, - угол между осями конвейерного штрека и канала теплообменника.

С помощью шлюзов сеть каналов разделена на два контура. Регулирование воздушных потоков производится с помощью дистанционно открываемых дверей. Такие изделия выпускаются в настоящее время фирмой “Termospec” (Польша) и другими. Сигналом для переключения ветвей в контурах ШГТ является снижение температуры, регистрируемой датчиками, установленными на выходе из контура (на рисунке не показаны). С помощью искусственных сооружений, таких как вентиляционные двери, шлюзы, глухие и имеющие проемы перемычки, кроссинги и др можно обеспечить практически любую конфигурацию ШГТ.

5. Конструкция канала шахтного геотермального теплообменника

Как было показано выше, 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 Δ l площадью .S при поддержании на его плоскостях разности температур Δ T за время t определяют из выражения:

, (3.8)

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

Согласно выражению (3.8) 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 [34]. 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 [35] разделенных макротрещинами. Исследования ученых ДонНТУ 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 К_тп, который показывает какую часть объема горной породы, составляют полости трещин. Схематичное представление об изменении характера К_тп в боках горных выработок, применительно к вопросу о возникновении эндогенных пожаров приведено на рисунке 3.10.

рис. 3.10. Схема распределения коэффициента трещинной пустотности (К_тп)в боках горной выработки: К_тп^о – фоновый уровень трещинной пустотности в нетронутом массиве, L_max, L_min – границы соответственно максимального и минимального развития макротрещиноватости

В нетронутом массиве существует развитая состоящая из нескольких систем сеть микротрещин, этому состоянию массива соответствует некоторое значение коэффициента трещинной пустотности К_тп⁰. 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 (L_min). С удалением вглубь массива растет объем микротрещиноватости, и на некотором расстоянии (L_max), 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:

. (3.9)

Пористость породного массива может изменяться 0,03<Р<0,2, согласно выражения 4.7 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.

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.3.11).

Рис.3.11. Изменение коэффициента теплопроводности трещиноватого массива с показателем трещинной пустотности К_тп после обработки глино-графитной суспензией: сплошная линия – песчаник; пунктир – алевролит.

Воспользовавшись выражением (3.9) можно рассмотреть 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.

Результаты расчетов показывают, что после нагнетания суспензии происходит увеличение коэффициента теплопроводности массива. При этом, чем больше была исходная трещиноватость массива, тем выше становится способность проводить тепло после нагнетания (рис.3.12).

Рис.3.12. 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 влагой трещин

Заполнение трещин определяет увеличение коэффициента теплопроводности выше, чем у исходной горной породы. Чем выше нарушенность массива после поведения горных работ, тем больше тем лучшие характеристики теплопроводности можно получить (рис.3.12) заполняя трещины глино-графитной суспензией и гравитационной водой..

ЛЕКЦИЯ 9

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 300; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!