Обґрунтування параметрів системи відбору геотермальної енергії в умовах глибоких вугільних шахт

Abstract

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей перерозподілу теплових полів в пород-ному масиві підданому техногенному впливу в умовах глибоких шахт Донбасу, вирішене актуальне науково-технічне завдання вибору ефективних параметрів підземних засобів відбору та утилізації геотермальної енергії при комплексно-му освоєнні надр, що має велике значення для паливо-енергетичного комплексу України. Вперше теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що для геотермального теплообмінника існує гранична масова витрата теплоносія, перевищення якої веде до зниження кінцевої температури. Отримала подаль-ший розвиток математична модель теплообміну, яка враховує основні теплофі-зичні характеристики масиву і динамічні показники руху теплоносія. Уточнено рівняння, що описує ширину охолодженої зони породного масиву. Вперше за-пропонований математичний вираз для визначення коефіцієнта ефективності геотермального теплообмінника. Встановлено, що наявність природної і розви-ток техногенної тріщинуватості визначає зниження теплових потоків саме в на-прямку порожнини виробці.

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основе впервые установленных закономерностей перераспределе-ния тепловых полей в породном массиве подверженном техногенному воздей-ствию в условиях глубоких шахт Донбасса решена актуальная научно-техническая задача выбора эффективных параметров подземных средств отбора и утилизации геотермальной энергии при комплексном освоении недр. Впервые теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что для каналов геотермального теплообменника существует предельный мас-совый расход теплоносителя, превышение которого ведет к снижению конеч-ной температуры. Для штреков с площадью поперечного сечения 18…20 м2 длиной около 1000 м, пройденных на глубине 1000…1300 м, с увеличением расхода воздуха рост температуры и количества отбираемой теплоты происхо-дит до скорости воздуха 1500…1600 м3/мин, при дальнейшем увеличении рас-хода уровень температуры снижается, что необходимо учитывать при опреде-лении параметров шахтных геотермальных теплообменников. Получила даль-нейшее развитие математическая модель теплообмена между породным масси-вом и теплоносителем в подземной выработке, учитывающая основные тепло-физические характеристики породного массива и динамические показатели движения теплоносителя, при этом уточнено уравнение, описывающее ширину охлажденной зоны горного массива. На основе полученных зависимостей впер-вые предложено математическое выражение для определения коэффициента эффективности геотермального теплообменника и рекомендовано, определяя время эксплуатационного режима ограничиться первыми, небольшими значе-ниями числа Фурье. Предложено использовать комбинированную конфигура-цию шахтного теплообменника, сочетающую последовательные и параллель-ные ветви. Непрерывность работы ШГТ такого вида обеспечивается путем пе-риодического отключения отдельных параллельных ветвей для рекреации, и использования остальных для продуктивной работы. Впервые установлено, что наличие природной и развитие техногенной трещиноватости, особенно ориен-тированных параллельно контуру горной выработки трещин, определяет уменьшение коэффициента теплопроводности породного массива 0,91<λ0<0,512. Это послужило основой рекомендаций по обеспечению наилуч-шей теплопередачи из глубины трещиноватого массива к контуру горной выра-ботки путем заполнения пустот твердеющим составом на основе глины с до-бавлением теплопроводящего наполнителя, в качестве которого целесообразно использовать порошок графита. Впервые теоретически установлена параболи-ческая зависимость поступающего к контуру выработки теплового потока от диаметра теплопроводящего материала и линейная - от его коэффициента теп-лопроводности при сочетании анкерной крепи с теплопроводящим наполните-лем шпура. По сравнению с обычной анкерной крепью при заполнении шпура, имеющего диаметр вдвое больше, чем анкер, с коэффициентом теплопроводно-сти в 5…7 раз меньшим, чем у материала анкера, но в 2…4 раза большим, чем у горных пород, мощность теплового потока увеличивается в 1,6….2,2 раза. Это позволило разработать конструкцию анкерной крепи для каналов теплообмен-ника с теплопроводящим наполнителем шпуров, улучшающую в несколько раз теплопередачу из массива к контуру выработки путем увеличения коэффициен-та теплопроводности. Эффективность разработанных в диссертации предложе-ний заключается в сокращении потребления шахтой исчерпаемых природных энергетических ресурсов и сопутствующего их сжиганию негативного воздей-ствия на окружающую среду. Замена расходуемой вентиляторами электриче-ской энергии на геотермальную позволяет примерно на два порядка сократить экологический риск с 1600 до 16ГДж. Ожидаемый экономический эффект от использования геотермальной энергии для проветривания горных выработок в условиях шахты «Октябрьский рудник» оценивается в 4 млн.грн/год.

The thesis is completed research work, which on the basis of established pat-terns of redistribution of thermal fields in mountain ranges subjected to man-made impact in terms of deep mines of Donbass decided to relevant scientific - technical task of selecting effective parameters of underground facilities selection and utiliza-tion of geothermal energy development in the complex. Subsoilю First theoretically proved and experimentally confirmed that the geothermal heat exchanger channels exist limiting mass flow of the coolant , the excess of which leads to lower final temperature . Further developed a mathematical model of heat transfer between the mountain range and cooled in an underground formulation takes into account the basic thermal characteristics of mountain range and dynamic per-formance of motion of the coolant , and the refined equation describing the width of the cooled zone massif. The first time the mathematical expression for determining the coefficient of efficiency of geothermal heat exchanger and recommended defining the operational mode to limit the time the first small values of the number of Fourier index for evaluating the effectiveness heat exchangers. For the first time found that the presence of natural and man-made development of fractures , especially oriented parallel circuit excavation cracks determines the reduction in the thermal conductivity of mountain range and, consequently, reduce heat flow in the direction of the oral for-mulation. Diversification of electricity consumed by fans for geothermal allow ap-proximately two orders of magnitude to reduce environmental risk from 1600 to 16 GJ.