CC BY
12
11. Nesmelova Z. N. about gases in potash salts of the Bereznikovskymine / Tr. VNIIG. L., 1959.Issue 35. Pp. 206-313.
12. Zemskov A. N., Polyanina G. D. Regularities of hydrogen sulfide distribution in the productive strata of the Verkhnekamskoe potash Deposit // Physical and chemical regularities of sedimentation in salt basins. Moscow: Nauka, 1986. Pp. 13-21.
13. Polyanina G. D., Zemskov A. N., Paderin Yu. N. Technology and safety of development of the Verkhnekamskoye potash Deposit. Perm: publishing House, 1990, 262 p.
14. Zemskov A. N., Liskova M. Yu. Features of formation of the component composition of gases of potash deposits // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2019. Issue 2. Pp. 88-97.
УДК 622.2
РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОТОКА ВОЗДУХА В БЛОКЕ ГАЗИФИЦИРУЕМОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Д.Р. Каплунов, А.Н. Качурин, Г.В. Фридлендер, М.П. Ганин
Обоснована математическая модель для расчета фильтрационного потока воздуха в блоке газифицируемого угольного пласта. Доказано, что скорость фильтрации воздушного потока в блоке газифицируемого угольного пласта будет зависеть от газовой проницаемости угля и разности квадратов давления воздуха на линиях нагнетательных и продуктивных скважин. Показано, что скорость фильтрации воздушного потока в блоке газифицируемого угольного пласта является одним из основных физических параметров процесса подземной газификации угля. Очевидно, что управлять эффективностью подземной газификации угля можно, изменяя скорость фильтрации воздушного потока путем изменения газовой проницаемости угольного пласта и перепада давления воздуха на линиях нагнетательных и продуктивных скважин.
Ключевые слова: подземная газификация угля, скорость фильтрации, угольный пласт, давление воздуха, математическая модель, вычислительный эксперимент.
Технологическая история Подмосковного угольного бассейна наглядно свидетельствует о том, что геотехнологии огневой отработки запасов угля с получением электрической и тепловой энергии при подземном сжигании бурых углей могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации энергетики Тульской области и других регионов Центрального Федерального округа [1 - 5].
Результаты исследований и практических разработок показывают, что наиболее эффективные технологические схемы подземной газификации угля представляют собой различные сочетания совокупности нагнетательных и продуктивных скважин [6 - 9]. Расчетная схема для определения фильтрационного потока воздуха в таком блоке газифицируемого угольного пласта представлена на рис. 1. Давление воздуха на линии нагнетательных скважин равно р 1, а на линии продуктивных скважин - р2, очевидно,
что р1 > р2. Фильтрация воздуха происходит от линии нагнетательных скважин к линии продуктивных скважин. Тогда с учетом одномерности движения воздушного фильтрационного потока и ряда допущений можно записать
др
~сП
+ (ри) = 0,
к
(1)
и = — grad р, Ц
где и - скорость фильтрации воздуха в п лоскости газифицируемого угольного пласта; р - давление воздуха в порах и трещинах газифицируемого угольного пласта; р, ц, к - плотность и динамическая вязкость воздуха, и газовая проницаемость угольного пласта соответственно.
Рассматривая одномерную изотермическую фильтрацию, где Р = (Ра / Ра)Р, систему уравнений (1) можно преобразовать к следующему виду:
Гкр1
др'
~сП
ср
Ц
grad р2
0.
(2)
X
Р1
Р
Линия нагнетательных скважин
Линия продуктивных скважин
Рис. 1. Расчетная схема для определения фильтрационного потока воздуха в таком блоке газифицируемого угольного пласта
о
А, приняв обозначение к = крср / ц, где рср = 0,5 (р1 + р2) и учитывая
одномерность фильтрационного воздушного потока, преобразуем уравнение (2) к уравнению в частых производных параболического типа:
^ ^, (3)
дX дх2
где к - коэффициент пьезопроводности газифицируемого угольного пласта.
Начальные и граничные условия имеют следующий вид:
р2(2,0) = 0; р2(0,X) = р2, р2(Ь,X) = р2, 0 < х < Ь (4)
Решение уравнения (3) для условий (4) будем искать в виде ряда
р2 (2, X ) = £ Тп ( X )
г ппх^
п=1
Ь
(5)
Определяя функцию Тп (X) в явном виде, ряд (5) можно записать следующим образом:
р (х, X) = р2 - (р2 - р22)х + -р2 - р2 ехр
4 ' Ь п
п=1
п
( гл пп^ к 2 8т ( ппх Л
X
Ь ) 1 Ь )
(6)
Чтобы рассчитать фильтрационный поток воздуха в порах и трещинах газифицируемого угольного пласта, необходимо вычислить производную от поля давления воздуха (6) в точке х = Ь:
др2
дх
( р2 - Р2 )
х=Ь
Ь
1 + 2£(-1)П ехр
п=1
пп
л/к
Ь
(7)
Принимая во внимание то обстоятельство, что бесконечный ряд экспонент с отрицательным аргументом сходится очень быстро, ограничимся первым членом ряда. С учетом этого допущения и закона Дарси получим
к
и
( р2 - Р2 )
Ь
1 - 2 ехр
9,87 к
Ь
-X
(8)
Бо. = кЬ
Введем следующие обозначения: и = иЬ к(р2 - р2) , ^ где Бог - фильтрационный критерий Фурье. Тогда зависимость (8) примет вид
и = 1 - 2 ехр (-9,87 Бо г). (9)
Результаты вычислительного эксперимента представлены на рис. 2. Функция (9) имеет асимптоту при Бо^ ^ го, равную 1.
Вязкость воздуха при температуре 20 °С равна 18,Ы0"6 Па-с. Для бурого угля Подмосковного угольного бассейна можно записать, что
к «10 м, рср « 2 • 10 Па, L « 25 м, тогда коэффициент пьезопроводности
угольного пласта будет к = 10-12 • 2• 106/18,1 •Ю-6 «0,11 м2/с.
Коэффициент пьезопроводности газифицируемого угольного пласта может изменяться на несколько порядков при изменении газовой проницаемости угля. Однако при Fof « 0,6 параметр u «1. Следовательно, длительность выхода на стационарный режим фильтрации воздуха будет t = Fof -L2/к = (0,6 -252)/0,11 = 3409 c. То есть после начала процесса стационарный режим установится приблизительно через 1 ч, поэтому в инженерных расчетах следует воспользоваться следующим соотношением:
п-1
uL
к
( Р12 - Р22 )
1
(10)
Из соотношения (10) найдем среднюю скорость фильтрации воздуха в блоке газифицируемого угольного пласта
к
u
( Р12 - Р22 ) L
(11)
u
0.1
0.2
0 .3
0.4
0 .5
Fof
Рис. 2. График зависимости величины и от фильтрационного
критерия Фурье Fo/
Таким образом, скорость фильтрации воздушного потока в блоке газифицируемого угольного пласта будет зависеть от газовой проницаемости угля и разности квадратов давления воздуха на линиях нагнетательных и продуктивных скважин. Скорость фильтрации воздушного потока в блоке газифицируемого угольного пласта является одним из основных физических параметров процесса подземной газификации угля. Очевидно, что
управлять эффективностью подземной газификации угля можно, изменяя скорость фильтрации воздушного потока, газовую проницаемость угольного пласта и перепад давления воздуха на линиях нагнетательных и продуктивных скважин.
Однако в целом горно-геологическими факторами, определяющими значения физико-химических параметров, влияющих на устойчивость подземного горения угольного пласта, являются обводненность месторождения, тип угля и вмещающих пород, гипсометрия и глубина залегания угольного пласта, наличие карстовых нарушений. При этом параметрами оптимизации газотеплогенератора являются расстояния между скважинами и рядами скважин, количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины, перепад давления, развиваемый источниками тяги.
Список литературы
1. Каплунов Д.Р. Теоретические основы проектирования освоения недр: становление и развитие // Горный журнал. 2014. №7. С. 49-53.
2. Griazev M.V., Kachurin N.M., Spirin V.I. Energy-efficient technologies of integrated coal and mining waste development in the Moscow Coal Basin in the context of secure and sustainable supply of row materials in Central Russia // Eurasian Mining. 2016. № 2. P. 15-19.
3. Воробьев С.А., Качурин Н.М. Зарубежный опыт исследования проблем комплексного освоения угольных месторождений подземным способом // Горный журнал. 2016. №5. С. 78-85.
4. Воробьев С.А., Качурин Н.М. Зарубежный опыт исследования проблем комплексного освоения угольных месторождений подземным способом // Горный журнал. 2016. №5. С. 78-85.
5. Перспективы восстановления и комплексного развития Подмосковного угольного буроугольного бассейна / Н.М. Качурин, С.М. Богданов, С.А. Богданов, П.В. Васильев // Горный журнал. 2016. №2. С. 30-35.
6. Способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля: пат. №2522785 РФ; опубл. 20.07.2014. Бюл. №20.
7. Способ комплексного освоения месторождения бурого угля: пат. №2526953 РФ; опубл. 27.08.2014. Бюл. №24.
8. Грязев М.В., Качурин Н.М., Захаров Е.И. Горнодобвающая отрасль в экономике Тульской области. Состояние и перспективы // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. Вып. 2. С. 57-66.
9. Качурин Н.М., Зоркин И.Е., Мосина Е.К. Геотехнология комплексного освоения месторождений бурого угля // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 119-130.
Каплунов Давид Родионович, д-р техн. наук, проф., член-корреспондент РАН, ecology tsu_ tula@, mail.ru, Россия, Москва, Институт комплексного освоения недр РАН,
Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, зам. директора Инжинирингового центра, ecology tsu tulaamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фридлендер Григорий Владимирович, асп., ecology_tsu_ tula@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ганин Михаил Павлович, асп., ecology tsu_ tula@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CALCULATING FILTRATION AIR FLOW IN THE BLOCK OF GASIFIED COAL BED D.R. Kaplunov, A.N. Kachurin, G. V. Friedlander, M.P. Ganin
The mathematical model for calculating the filtration air flow in the block of gasified coal bed is substantiated. It is proved that the rate offiltration of the air flow in the block of gasified coal bed will depend on the gas permeability of coal and the difference between the squares of the air pressure on the lines of injection and production wells. It is shown that the filtration rate of the air flow in the block of gasified coal bed is one of the main physical parameters of the process of underground coal gasification. Obviously, the efficiency of underground coal gasification can be controlled by changing the rate offiltration of the air flow, by changing the gas permeability of the coal bed and the differential pressure of air on the lines of injection and production wells.
Key words: underground coal gasification, filtration rate, coal bed, air pressure, mathematical model, computational experiment.
Kaplunov David Rodionovich, doctor of technical sciences, professor, corresponding member of RAS, ecology tsu _tula@ mail.ru, Russia, Moscow, Institute of Problems Integrated Developing Subsoil of the Subsurface of the RAS,
Kachurin Alexander Nikolaevich, candidate of technical sciences, vice director, ecology tsu tulaamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fridlender Grigoryi Vladimirovich, postgraduate, ecology_tsu_tula@, mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ganin Michail Pavlovich, postgraduate, ecology_tsu_ tulaa mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Kaplunov D. R. Theoretical foundations of designing the development of mineral resources: formation and development // Mining journal. 2014. no. 7. Pp. 49-53.
2. Griazev M. V., Kachurin N. M., Spirin V. I. Energy-efficient technologies of integrated coal and mining waste development in the Moscow Coal Ba-sin in the context of se-
cure and sustainable supply of row materials in Central Russia // Eurasian Mining. 2016. no. 2. P. 15-19.
3. Vorobyov S. A., Kachurin N. M. Foreign experience of research of problems of complex development of coal deposits by underground method // Gorny Zhurnal. 2016. no. 5. Pp. 78-85.
4. Vorobyov S. A., Kachurin N. M. Foreign experience of research of problems of complex development of coal deposits by underground method // Gorny Zhurnal. 2016. no. 5. Pp. 78-85.
5. Prospects for restoration and integrated development of the Suburban coal brown-coal basin / N. M. Kachurin, S. M. Bogdanov, S. A. Bogdanov, P. V. Vasiliev // Gorny Zhurnal. 2016. no. 2. Pp. 30-35.
6. Method of underground gasification of thin and medium-capacity brown coal seams: Pat. no. 2522785 of the Russian Federation; publ. 20.07.2014. Byul .no. 20.
7. Method of complex development of the brown coal Deposit: PA-T. no. 2526953 of the Russian Federation; publ. 27.08.2014. bul .no. 24.
8. Gryazev M. V., Kachurin N. M., Zakharov E. I. Mining industry in the economy of the Tula region. Status and prospects // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2015. Vol. 2. Pp. 57-66.
9. Kachurin N. M., Zorkin I. E., Mosina E. K. geotechnologies of complex development of brown coal deposits // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2013. Issue 1. Pp. 119-130.
УДК 622.413.3:536.244
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ БОЛЬШЕПРОЛЁТНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
И.П. Карначев, В.Г. Николаев, В.В. Бирюков, С.А. Гусак
Изложены отдельные результаты экспериментальных исследований повышения устойчивости горных выработок в зоне многолетней мерзлоты при низких положительных температурах. Рассмотрены задачи по определению параметров температурного поля вокруг выработок подземного комплекса атомных станций малой мощности различного сечения на стадии строительства. Разработаны математические модели процессов теплопереноса в замороженных горных породах. Моделирование горных пород как пористых сред, заполненных водой с фазовым переходом при нагревании, позволило создать виртуальные вычислительные стенды, на которых стало возможно отработать тепловые режимы проходки выработок.
Ключевые слова: подземный комплекс, горная выработка, многолетняя мерзлота, температурное поле, атомная станция малой мощности, математическое моделирование процессов теплопереноса, пористые среды, фазовые переходы, программный комплекс Ansys Fluent.
Отличительной особенностью подземного строительства в условиях Арктического региона являются суровые климатические условия и наличие многолетней мерзлоты. Международный опыт промышленного освое-
