Theoretical and geotechnological fundamentals for the development of natural and man-made resources of coal deposits

Abstract

Purpose. Theoretical and technological substantiation of parameters and schemes related to formation and use of natural and man-made volumetric and thermal resources of abandoned coal deposits using complex of geo-modules providing their activation, selection and storage in keeping with uneven seasonal energy consumption. Methods. Analytical and numerical methods for solving equations of hydrogas dynamics and heat- mass transfer; mathematical modeling by means of special software; statistical methods; stabilometrical testing of aqueous rocks samples by triaxial compression tool. Findings. The system of models presenting gas-dynamic, filtration and heat processes occurring in disturbed rocks as a result of natural and man-made resources development while shutting down mining works has been developed. The studied patterns of water and gases movement in low-permeable coal-bearing rocks, reservoir beds and flooded mines allowed to evaluate the technological parameters of extraction, accumulation, and utilization of these heat transfer fluids for heating and cooling of buildings. The paper proposes and justifies technological options serving to utilize the thermal resource of water in a flooded mine and to activate this resource by underground combustion of residual coal reserves. Originality. The mechanism of heat transfer in the flooded rock mass of the abandoned mine with periodic pumping and selection of mine waters from different horizons and their heating by natural geothermal heat and underground combustion of residual coal reserves has been studied. Practical implications. The developed models have been implemented in real mines which allowed to evaluate the ranges of flow and heat transfer parameters related to the conditions for heat transfer fluid extraction and utilization at the final stage of mining. The developed models and obtained dependences allowed to justify the parameters of technological schemata aimed at the development of natural and man-made resources of coal deposits.

Мета. Теоретичне та технологічне обґрунтування параметрів і схем формування та використання природно-техногенного теплового й ємнісного ресурсів відпрацьованих вугільних родовищ за допомогою комплексу геомодулів, які забезпечують їхню активізацію, відбір і зберігання синхронно з сезонною нерівномірністю споживання енергоносіїв. Методика. Аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь гідрогазодинаміки та тепломасопереносу; математичне моделювання із застосуванням спеціального програмного забезпечення; методи статистики; стабілометричні випробування зразків водоносних порід на приладі тривісного стиснення. Результати. Розроблений комплекс моделей газодинамічних, фільтраційних і теплових процесів, які протікають у порушеному масиві та обумовлені розробкою його природно-техногенних ресурсів і згортанням гірничих робіт. Досліджено закономірності руху води та газів у слабопроникних вуглевмісних породах, пластах-колекторах і затоплених гірничих виробках, які дозволили обґрунтувати технологічні параметри відбору, акумуляції та використання теплоносіїв для тепло- і холодопостачання будівель. Запропоновані й обґрунтовані технологічні варіанти використання теплового ресурсу вод, які знаходяться у затопленій шахті, та його активізацію за рахунок підземного спалювання залишкових запасів вугілля. Наукова новизна. Досліджено механізм теплопереносу в затопленому гірничому масиві ліквідованої шахти, що супроводжується періодичним закачуванням та відбором шахтних вод різних горизонтів, а також їх нагріванням природним геотермічним теплом і підземним спалюванням залишкових запасів вугілля. Практична значимість. Розроблені моделі застосовані на реальних об’єктах у гірничопромислових районах з визначенням діапазонів параметрів гідродинамічного і теплового режимів, в яких створюються умови для відбору та використання енергоносіїв на завершальному етапі відпрацювання вугільних родовищ. На основі моделей та одержаних закономірностей обґрунтовані параметри технологічних схем розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ.

Цель. Теоретическое и технологическое обоснование параметров и схем формирования и использования природно-техногенного теплового и емкостного ресурсов отработанных угольных месторождений с помощью комплекса геомодулей, обеспечивающих их активизацию, отбор и хранение синхронно с сезонной неравномерностью потребления энергоносителей. Методика. Аналитические и численные методы решения уравнений гидрогазодинамики и тепломассопереноса; математическое моделирование с применением специального программного обеспечения; методы статистики; стабилометрические испытания образцов водоносных пород на приборе трехосного сжатия. Результаты. Разработан комплекс моделей газодинамических, фильтрационных и тепловых процессов, протекающих в нарушенном массиве и обусловленных разработкой его природно-техногенных ресурсов и сворачиванием горных работ. Исследованы закономерности движения воды и газов в слабопроницаемых углевмещающих породах, пластах-коллекторах и затопленных горных выработках, которые позволили обосновать технологические параметры отбора, аккумуляции и использования теплоносителей для тепло- и холодоснабжения зданий. Предложены и обоснованы технологические варианты использования теплового ресурса вод, находящихся в затопленной шахте, и его активизации за счет подземного сжигания остаточных запасов угля. Научная новизна. Исследован механизм теплопереноса в затопленном горном массиве ликвидированной шахты, сопровождающийся периодической закачкой и отбором шахтных вод различных горизонтов, а также их нагреванием естественным геотермическим теплом и подземным сжиганием остаточных запасов угля. Практическая значимость. Разработанные модели применены на реальных объектах в горнопромышленных районах с определением диапазонов параметров гидродинамического и теплового режимов, в которых создаются условия для отбора и использования энергоносителей на завершающем этапе отработки угольных месторождений. На основе моделей и полученных закономерностей обоснованны параметры технологических схем разработки природно-техногенных ресурсов угольных месторождений.