Дослідження геоміграційних процесів при підземних газифікації та спалюванні вугілля Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 622.278 + 662.73

С. В. Жолудєв

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕОМІГРАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ ПІДЗЕМНИХ ГАЗИФІКАЦІЇ ТА СПАЛЮВАННІ ВУГІЛЛЯ

Хімічний склад підземних вод в над- і підвугільному водоносних горизонтах під час підземного горіння буровугільних покладів може суттєво змінюватись за рахунок забруднення продуктами та відходами термічної переробки вугілля. Аналіз характеру міграції речовин-контамінантів у підземних водах є одним з головних питань подальшого втілення технології ПГВ та ПСВ .

Ключові слова: підземна газифікація, підземне спалювання, геоміграційні процеси, геотехнічна система.

Химический состав подземных вод в над- и подугольных водоносных горизонтах во время подземного горения буроугольных отложений может существенно меняться за счет загрязнения продуктами и отходами термической переработки угля. Анализ характера миграции веществ-контаминантов в подземных водах является одним из главных вопросов дальнейшего внедрения технологий ПГУ и ПСУ.

Ключевые слова: подземная газификация, подземное сжигание, геомиграционные процессы, геотехническая система.

The chemical composition of subsoil water in the over- and subcoal deposits during underground combustion of brown coal can vary under coals thermal development product and pollution. Analysis of the substances-contaminants migratory in water is one of the main issues of further implementation of technologies UCG and UCC.

Key words: underground gasification, underground combustion, geomigratory processes,

geotechnical system.

В процесі підземної газифікації і спалювання вугілля виділяються численні хімічні речовини, які в умовах водонасичених над- і підвугільного водоносних горизонтів здатні покидати зону підземного газогенератора і мігрувати в підземній гідросфері, забруднюючи її. Тому доцільно не допускати або обмежувати їх потрапляння у водоносні горизонти в період експлуатації підземного генератора і після його завершення. Але на етапі експлуатації загроза попадання речовин-забрудників залишається високою. В деякій мірі сприяти вирішенню цієї проблеми можливо прогнозуванням поширення забруднення від області підземного газогенератору.

З літературних даних відомий орієнтовний вміст речовин-забрудників в продуктах і відходах ПГВ і ПСВ (табл. 1), що дозволяє за допомогою методів математичного моделювання спрогнозувати міру і характер можливого хімічного забруднення підземних вод в околицях підземного газогенератора [1].

Для теоретичного опису геоміграційних процесів з урахуванням гідрохімічних перетворень необхідно використовувати методи термодинамічного моделювання. Такий підхід застосовується для моделювання контамінаційних процесів при розгляді умов природно-техногенного забруднення, джерела якого знаходяться у водовміщуючих породах і поступають у водозабори при змінах термодинамічної обстановки в підземних водах [3].

© С. В. Жолудєв, 2014

ISSN 2313-2159. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2014. Вип. № 15

Вміст хімічних речовин в продуктах і відходах ПГВ і ПСВ [1, 2]

Таблиця 1

№ Назва речовини Вміст в продуктах та відходах, мг/дм3 ГДК, мг/дм3

1 Аміак 1,9 - 3,0 2,0

2 Бензольні вуглеводні 1,0 - 2,2 0,5

3 Піридинові основи 0,04 - 0,68 0,2

4 Сірководень 0,03 - 0,32 0,003

5 Нафталін 0,0004 - 0,1 0,01

6 Ацетилен 0,000003 - 0,015 0,0015

7 Синильна кислота 0,000006 - 0,008 0,0035

8 Фенол 0,0013 0,001

При вивченні геоміграційних процесів визначальну роль грає масоперенос, який є процесом переміщення компонентів підземних вод (мігрантів). Значущість вивчення процесів масопереносу пов'язана з високою рухливістю водних розчинів в літосфері.

У фільтраційному потоці підземних вод найбільшу роль зазвичай грає конвективне перенесення, що відбувається гідравлічним шляхом разом з водою, що фільтрується. Одиничний масовий потік конвективного масопереносу jK, що є кількістю мігранта, який проходить конвективним шляхом через одиничну площу потоку в одиницю часу, буде

ік = с * V, (і)

де jK - потік конвективного масопереносу;

C - концентрація мігранта;

V - швидкість фільтрації, пов’язана з дійсною швидкістю течії u0 співвідношенням u0 = V/n0 , де п0 - активна пористість породи.

Крім того, в процесах масопереносу беруть участь різні форми дисперсії, що обумовлюють розсіювання мігрантів в просторі. При цьому виділяються процеси мікродисперсії, здійснювані на молекулярному і внутрішньопоровому (внутрішньотріщинному) рівнях, і макродисперсії, здійснювані на рівнях агрегатів і блоків порід.

На молекулярному рівні мікродисперсія обумовлюється, передусім, процесом молекулярної дифузії, яка створює потік мігранта, що описується законом Фіка

id = DmgradC, (2)

де id - одиничний масовий дифузійний потік (кількість речовини,

дифундуючої через одиничну площу потоку в одиницю часу);

DM - коефіцієнт молекулярної дифузії.

Коефіцієнт молекулярної дифузії характеризує звивистість шляхів фільтрації в пористому середовищі, причому, за дослідними даними, для незцементованих

пісків дорівнює 0,5-0,7, а для зцементованих 0,25-0,5.

За даними лабораторних досліджень значення коефіцієнта дифузії для глинистих порід мають порядок 10-5 м2/добу. В той же час величина DM може істотно зменшуватися при ущільненні порід, а при неповному водонасиченні величина DM істотно залежить від вологості.

Закон Фіка у формулі (2) справедливий для ізотермічних процесів і при незалежній дифузії компонентів розчину. Інакше виникають складніші явища не ізотермічної багатокомпонентної дифузії.

3

ISSN 2313-2159. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2014. Вип. № 15

Подовження гідродисперсії (за напрямом потоку) описується законом Фіка, в якому DM замінюється на коефіцієнт подовжньої гідродисперсії, залежної від швидкості фільтрації. За результатами лабораторних дослідів для однорідних пісків виходить лінійна залежність Di від V

= An 4- dLV. (3)

Узагальнення експериментальних даних вказує на можливість використання для піщано-гравійних порід порушеної будови залежності (3).

При неодновимірному потоці перенесення виникає також поперечна гідродисперсія, яка створює поперечний потік мігранта, що також визначається законом Фіка, в якому DM замінюється на коефіцієнт поперечної дисперсії Dm. Задовільну їх апроксимацію можна представити як

= Dm + 8tV,

(4)

де ~ параметр поперечної гідродисперсії, що має для дрібнозернистих

пісків характерні значення 6t = 0,06 — 0,2 мм.

У гомогенному середовищі модель перенесення включає опис конвективного перенесення і мікродисперсії. У моделі конвективного перенесення використовується схема поршневого витіснення, в якій приймається, що усі частки води рухаються в кожному перерізі з однаковою швидкістю. Знайдемо в такій постановці вираження для швидкості переміщення межі розділу (фронту витіснення) розчинів мігрантів, що розділяють області з концентраціями у воді С і С0, за умови миттєвого настання сорбційної рівноваги (тобто, без урахування кінетики сорбції), складаючи балансове рівняння мігранта в нескінченному малому елементі струму dl, який проходить межу розділу розчинів мігранта за час dt\

1] = ±=ЦЩ + ^)-1

dt ш \ и С-Сп/

(5)

де

Q - дебіт потоку на токовій лінії;

N і N0 - вміст сорбованого мігранта в одиничному об'ємі породи;

С і С0 - концентрації розчинів;

(.0 - площа поперечного перерізу токової лінії.

Рішення рівняння (5) отримається інтеграцією по напрямах траєкторій течій, які повинні заздалегідь будуватись на основі геофільтраційних розрахунків, що проводяться в загальному випадку з використанням методів чисельного моделювання.

При накладенні конвективного і дисперсійного перенесення сумарний одиничний масовий потік jM буде

Іт Jk Jdi (6)

де jK визначається з (1), а jd для мікродисперсії визначається вираженням (2), де у фільтраційному потоці DM замінюється на коефіцієнт гідродисперсії Dt.

Теоретичний опис такого процесу проведемо для одновимірного переносу у фільтраційному потоці зі швидкістю фільтрації V у напрямі І при записі (7) у формі

c*v

Jm ^ "т" v

для нейтрального мігранта

D,^

ЗІ

Балансове рівняння елементі завдовжки ді і одиничній площі поперечного перерізу:

3Іт

(7)

в нескінченно малому

ЗІ

+ 7ІП

ЗС

dt

= о,

(8)

4

ISSN 2313-2159. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2014. Вип. № 15

де п0 - активна пористість породи.

Підставляючи в (8) вираження (7) для jM, отримаємо диференціальне рівняння одновимірного конвективно-дисперсійного перенесення

де ттдС _ д2С

°і ТГГ (9>

OL т - OL

пп — + V —

0 dt ' ' ді 11 зі2'

Перетворивши (9), і вводячи в нього інтегральне перетворення по Лапласу-

Карсону С = Цс)

пор(С-Со) + Т^ = В,0 (10)

д ер - параметр перетворення.

Рішення (10) за умови С = С0 на межі 1 = 0 напівобмеженого потоку має вигляд

— J ! “т

= Є~ .......

■ 2 D[

С-Сп

М І

.2D і/ Dj

(11>

Перехід від (11) до оригіналу при С° = const дає

с = §^ = + e^erfen.

(

7l0l-Vt

Г

nQi*Vt

Di^

VI

Dl

(12а)

(12б>

Розрахунки по (12) показують, що через деякий час після початку процесу формуються три основні міграційні зони: витісняючого мігранта (з відносною

концентрацією С = 1), перехідна (1 С .> 0 ) і початкового вмісту мігранта С = 0. Другий член рівняння (12а) виявляється дуже малим, і тоді ним можна знехтувати і користуватися спрощеним вираженням для відносної концентрації

С = 0,5erfcf; (13)

З аналізу рішення фундаментальної задачі можна отримати уявлення про особливості прояву конвективної і дисперсійної форм переносу. З (13) виходить, що на фронті поршневого витіснення, визначуваному тільки конвективним

положення фронту поршневого витіснення відповідає

переносом, де І = 10 =

vt

Tin

середині перехідної зони з середньою концентрацією між тим розчином, що витісняє. і тим, що витісняється.

Для опису поперечної макродисперсії доцільне використання моделі «просіювання» дрібних часток через сітку великих зерен, що «фільтрують». На такій моделі для точкової подачі дрібних часток встановлений розподіл їх концентрації в пласкому потоці

(14а)

де С0 - вихідна концентрація;

х і у - координати за напрямом просіювання (фільтрації) перпендикулярно до нього;

d - діаметр зерен, що фільтрують, відповідний розміру блоків.

5

ISSN 2313-2159. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2014. Вип. № 15

Зіставимо з (14а) вираження, отримане рішенням задачі конвективно-дисперсійного перенесення, що дає розподіл концентрації в потоці, що рухається зі швидкістю V без подовжньої дисперсії, але з поперечною, такою, що характеризується коефіцієнтом Dm, при дії на початку координат джерела постійної інтенсивності Р = V *d*C0. Таке рішення дає для концентрації мігранта вираження

де Dy = Dm - коефіцієнт поперечної дисперсії (за напрямом у).

Зіставляючи рівняння(14а) і (14б), можна бачити їх ідентичність, причому вони тотожно співпадають, якщо уявити, що

(15)

Вважаючи форму блоків кубічною і ідентифікуючи діаметр зерен з розміром блоку (для супісків і суглинків - 0,1 м, для пісків - 1 - 10 м), можна зв’язати величину з коефіцієнтом дифузійного масопереносу. Приймаючи для блоків кубічної форми fd = 36, виходить співвідношення

(16)

За наведеними методиками були проведені розрахунки горизонтальної та вертикальної міграції компонентів-контамінантів (див. табл. 1). Параметри розрахунків наведені в табл. 2.

Таблиця 2

DT = 6Т йт

d

2

Вихідні дані для розрахунку [1, 4]

№ Назва параметру Надвугільний горизонт Підвугільний горизонт

1 Коефіцієнт фільтрації, Кф, м/добу 3-6 6-12

2 Активна пористість, n, ч.о. 0,175

3 Градієнт потоку І, ч.о. 0,014

4 Довжина шляху фільтрації, L, м 5000

5 Період часу, t, діб 182,5

6 Діаметр зерен, що фільтрують, d, м 10

Для проведення розрахунку коефіцієнта гідродисперсії існує чимало методів, але для даного випадку вихідні дані дозволяють використати метод Авер’янова

° = ^ <17)

де V- швидкість руху підземних вод, яка обчислюється V =

Для оцінки горизонтального масопереносу були використані (12а), (12б) і

(17). Результати розрахунків представлені на рис. 1. Суттєва різниця між результатами у надвугільному та у підвугільному водоносному горизонтах пов’язана з відмінністю фільтраційних параметрів. Найбільший радіус забруднення спостерігається в аміаку, хоча різниця між вихідною та гранично допустимою концентраціями одна з найменших. Тоді як різниця концентрацій сірководню найбільша, а радіус забруднення один з найменших. Отже, ступінь забруднення не залежить від різниці концентрацій і для кожного контамінанта повинна визначатися

6

ISSN 2313-2159. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2014. Вип. № 15

окремо, а встановлення істинних закономірностей розповсюдження забруднення в горизонтальному напрямі потребує додаткового дослідження.

Для оцінки вертикального масопереносу були використані (4.14а), (4.14б) та (4.15). Розрахунки показали ідентичність характеру забруднення від усіх речовин. В обох водоносних горизонтах забруднення буде розповсюджуватись аналогічно для всіх контамінантів. Найбільше забруднення буде від сірководню і складатиме 57 м у розрізі, а найменше (2,5 м) — від аміаку та фенолу. Така закономірність чітко відображає взаємозв’язок між різницею концентрацій та радіусом вертикального забруднення.

н Надвугільний горизонт u ГЦцвугільний горизонт

Рис. 1. Діаграма розповсюдження забруднення від різних контамінантів у горизонтальному напрямі

Рис. 2. Діаграма вертикального розповсюдження речовин-контамінантів

Бібліографічні посилання

7

ISSN 2313-2159. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2014. Вип. № 15

1. Колоколов О. В. Теория и практика термохимической технологии добычи и переработки угля / О. В. Колоколов, Н. М. Табаченко, А. М. Ейшинский и др. -Днепропетровск: НГА Украины, 2000. - 281 с.: ил, табл.

2. Федеральные санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. - М.: Минздрав России, 1998. - 73 с.

3. Шестаков В. М. Динамика подземных вод / Н. С. Шестаков. - М.: Изд-во МГУ, 1979. - 368 с.

4. Радзивил А. Я. Днепровский буроугольный бассейн / А. Я. Радзивил, С. А. Гуридов, М. А. Самарин и др. - К.: Наук. думка, 1987. - 328 с., ил., табл.

Надійшла до редколегії 21.04.2014 р..

8