Теоретичні та геотехнологічні основи розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню наукової проблеми освоєння енергетичного й ємнісного потенціалів вугільних родовищ на фундаментальному термодинамічному підході, який поєднує уявлення про формування, техногенне перетворення і відбір енергоносіїв в єдиному технологічному циклі з їх зберіганням у природних колекторах. 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 об-ґрунтовані технологічні варіанти використання теплового ресурсу вод, які знаходяться у затопленій шахті, та його активізацію за рахунок підземного спалювання залишкових запасів вугілля. 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.

Диссертационная работа посвящена решению научной проблемы освоения энергетического и емкостного потенциалов отработанных угольных месторождений на фундаментальном термодинамическом подходе, совмещающем представление о формировании, техногенном преобразовании и отборе энергоносителей в едином технологическом цикле с их хранением в водоносных коллекторах. Разработан комплекс моделей, описывающих газодинамические, фильтрационные и тепловые процессы, протекающие в нарушенном породном массиве и вызванные разработкой его природно-техногенных ресурсов, включая свертывание горных работ. С помощью разработанных моделей для климатических условий Донбасса обоснована геоциркуляционная система отопления и охлаждения зданий, основанная на сохранении летнего тепла и зимнего холода в нарушенных водоносных пластах. Путем анализа теплового баланса установлено, что коэффициент аккумуляции данной системы (отношение извлеченного тепла к закачанному) в среднем составляет 0,85, что соответствует мировым стандартам. Предложенная методика численной оценки конфигурации трещины гид-роразрыва в слабопроницаемых угленосных породах позволяет прогнозировать изменение их фильтрационных свойств и газоотдачи. Для выделенного путем геологического диагностирования метанонасыщенного интервала (1,5 –2 м3/тонн, СН4 ≈ 44 %) Новомосковского каменноугольного месторождения установлено нелинейное увеличение дебита газа (от 1,9 до 2,8 раз) в зависимости от расхода жидкости разрыва. Для закрепления и предотвращения смыкания сформировавшейся трещины разработана методика расчета ее заполнения нетоксичными расклинивающими материалами. Выполнено, с помощью установленных критериев пригодности водоносных пород для хранения углеводородного газа, районирование Западного Донбасса с выделением Левенцовской геологической структуры. В её разрезе заключен обладающий значительным емкостным ресурсом не пригодный для водоснабжения пермско-триасовый водоносный горизонт. С целью оценки изменения его фильтрационных и физико-механических свойств в результате закачки и отбора газа была проведена численная и экспериментальная оценка объемной деформации аккумулирующих пород, а также комплекс специальных лабораторных исследований, моделирующих длительное воздействие пропано-бутановой смеси на литотипные аналоги пласта-коллектора, его кровли и почвы. Установленные зависимости использовались при выполнении балансовой оценки заполнения перспективного коллектора газообразными углеводородами, согласно которой при закачке 150 млн м3 активного и буферного газа радиус и площадь образующейся газовой зоны не превысят соответственно 560 м и 1 км2, что значительно меньше территории Левенцовской площади (1960 км2) и свидетельствуют о возможности локализации газохранилища в ее пределах. Обоснованный способ подземного сжигания некондиционных угольных пластов, позволяет наряду с вырабатываемым газом получать нагреваемые в результате сжигания угля подземные воды покрывающих пород. Способ протестирован для участка «Ольхово Нижнее» Чистяково-Снежнянского горнопромышленного района Донбасса. Путем моделирования теплопереноса и фильтрации оценены размеры и формы тепловых зон, формирующихся в мощной толще обводненных «бабаковских» песчаников (h10Sh11) в зависимости от угла их падения и стадии сжигания подстилающего их угольного пласта h101. Показана возможность формирования в подземных водах локальных температурных аномалий, достигающих 70 ºС и позволяющих применение геотехнологических схем их освоения. Разработанная и протестированная геофильтрационная модель шахтного поля, основанная на конечно-разностном решении уравнений нестационарной плановой фильтрации в программном комплексе «Modflow», позволила установить прогнозное положение уровня подземных вод в пределах поля шахты на оцениваемый момент и планируемый срок запуска в работу геотермального модуля. Установлено, что освоение теплового ресурса ликвидируемого угледобывающего предприятия сопряжено с периодическим использованием шахтных вод и изменением их температуры ввиду ее различия в затопленных выработках и на дневной поверхности, а также потерь тепла в процессе движения воды по скважинам. Проведенные термодинамические расчеты для отработанного массива показали, что суммарные теплопотери в процессе отбора, нагнетания и хранения шахтных вод не превысят 15 %. Применение шахтных вод с температурой 26 – 28 С в качестве низкопотенциального источника энергии в тепловых насосах, по сравнению с другими альтернативными вариантами, дает наибольшие коэффициенты преобразования тепла (4,5 – 7,5), позволяющие сэкономить значительное количество мощности тепловых насосов. Для горно-геологических условий Левенцовской площади установлены изменения давления в формирующейся при создании хранилища газовой зоне, основанные на зависимости фильтрационных свойств пласта-коллектора от длительности контакта с газообразными углеводородами. Полученные результаты послужили основой для разработки технологической схемы газохранилища, определения необходимого количества эксплуатационных скважин и оптимального порядка их размещения. Установлено, что эффективная разработка теплового ресурса затопленного породного массива достигается за счёт периодического отбора и закачки шахтных вод различных горизонтов в соответствии с температурой наружного воздуха, а также его периодической активизации путем подземного сжигания остаточных угольных запасов. На примере ликвидируемой шахты «Новогродовская 2» показано, что образующийся при сжигании угля и откачке нагретых вод тепловой поток (500 – 580 ГДж/сут) практически полностью покрывает тепловые потребности близлежащего населенного пункта (г. Новогродовка) с населением в 15 тыс. чел. во время отопительного периода.

The thesis deals with solving the scientific problem of thermal and capacity potential development in coal deposits based on the fundamental thermodynamic approach that combines the ideas of formation, technogenic transformation of heat transfer fluids, their extraction within the whole technological cycle, and their storing in natural reservoirs. The system of gas-dynamic, fluid flow and heat transfer models has been developed for thermal processes occurring in disturbed rocks as a result of natural and man-made resource development while shutting down mining works. The studied patterns of water and gases of movement in low permeable of coaly rocks, reservoir and flooded mines allowed evaluating the technological parameters of extraction, accumulation, and utilization of these heat transfer fluids for heating and cooling of buildings. The thesis proposed and justified technological options how to utilize the thermal water resource in a flooded mine and activate this resource by underground combustion of residual coal reserves. The developed models applied to real objects in mining areas allowed evaluating the ranges of flow and heat transfer parameters applicable to the conditions of heat transfer fluid extraction and utilization at the final stage of mining. Based on modeling and evaluated flow patterns the thesis justified the parameters of measures aimed at the development of natural and man-made resources of coal deposits.