CC BY
13
УДК 622.2
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В ФИЛЬТРАЦИОННОМ КАНАЛЕ
А.Н. Качурин, А.Б. Копылов, Г.В. Фридлендер, М.П. Ганин
Разработана математическая модель температурного режима угольного пласта при подземной газификации угля в фильтрационном канале для новых геотехнологий Тульского государственного университета. Нестационарное поле температуры угольного пласта предложено описывать одномерным уравнением теплопроводности со стоком тепла, зависящим от температуры угольного пласта. Уравнение решено для полубесконечного пространства. Результаты вычислительных экспериментов показали, что температурный фронт от огневого забоя движется в глубь угольного пласта. Следовательно, в процессе подземной газификации происходят опережающий, прогрев угля в газифицируемом блоке и тепловая подготовка. Довольно быстро после формирования устойчивого горения угля в огневом забое устанавливается стационарный температурный профиль.
Ключевые слова: подземная газификация угля, фильтрационный канал, температурный режим, Подмосковный угольный бассейн, теплофизический процесс, математическое моделирование.
База данных по геологическому состоянию и фактическому количеству запасов бурого угля на территории Тульской области должна включать в свой состав электронные версии планов горных работ по ликвидированным шахтам и угольным разрезам. Продолжаются работы по выяснению геологического состояния остаточных запасов ликвидированных угольных шахт и разрезов. Изучаются геологические условия залегания, гидрогеология и технический анализ невскрытых балансовых запасов бурого угля на территории Тульской области. Все это позволяет сформулировать концептуальные положения инвестиционного проекта инновационных геотехнологий комплексного освоения угольных месторождений. Очевидно, что геотехнология отработки запасов бурого угля методом подземной газификации угля и получения электроэнергии будет энергетической основой комплексного освоения недр Тульской области [1 - 3].
Важнейшей проблемой управления теплофизическим процессом подземной газификации является моделирование температурного режима угольного пласта при подземной газификации угля в фильтрационном канале [4 - 6]. Изучение новых геотехнологий Тульского государственного университета по подземной газификации угля и получению электроэнергии [7 - 8] позволяет после некоторых допущений использовать расчетную схему процесса, представленную на рис. 1. Тогда, адаптируя общее математическое описание процесса подземной газификации угля [9 - 10] к данной схеме, можно записать, что нестационарное поле температуры уголь-
ного пласта описывается следующим дифференциальным уравнением:
дТ
дТ
д 2Т
а + и IX = * «"дХ2 - к тТ,
где Т (х, t) - температура угольного плата; иф - средняя скорость фильтрации воздуха (или другой газовой смеси), поступающего из ряда дутьевых скважин; ауп - температуропроводность угольного пласта; Ктп -
константа скорости процесса общих тепловых потерь; х - пространственная координата; t - время.
Температуропроводность угольного пласта определяют по формуле
а.
у ■п
= ку / (суру), где ку, су - теплопроводность и удельная теплоемкость
угля соответственно; р у - плотность угля.
0
Р1
X
Линия нагнетательных скважин
Линия продуктивных скважин
Рис. 1. Расчетная схема процесса подземной газификации угля
в фильтрационном канале
Начальные и граничные условия для решения уравнения (1) имеют следующий вид:
Т (2,0)- То = о, (2)
где Т0 - начальная температура угольного пласта,
Т (0, г) = Тоя = ео^, Нш Т фю
(3)
х^-<х>
где Тоз - температура в огневом забое.
Решение уравнения (1) для условий (2) - (3) получено в следующем
виде:
©( х,г)
Т (х, г)-То г
0,5ехр
Г0,5Ыф Л -—х
V V У
ехр
-0,5
иф 4К„
■ + ■
ау.п ау.п
х
х
хегГе
0,5х
^уп \
( 2
0,25
и
ф
+ 4 К
V ауп
+ ехр
0,5
иф 4К
ф , т.п
■ + ■
ау.п ау.п
х
X
хегГе
0,5 х
+
( ..2
0,25
и
ф + 4 К
2 т.п
V ауп
(4)
Если пренебречь потерями тепла, то Ктп = 0, а уравнение (1) при-
мет вид
дТ дТ д2Т
+ и, — = а —-. (5)
дг ф дх уп дх2 ^ ;
Решение уравнения (5) для условий (2) - (3) получено в следующем
виде:
, ч Т ( х, г)- Т0 0( х,г ) = Уу 0 = 0,5ехр
'0,5иф Л
-—х
V ау.п У
ехр
-0,5
г л и ф
V ау.п У
х
хerfе
0,5
х
л/^
и
ф.
а
у.п
+ ехр
0,5
г \
V ау.п У
х
х
х erfе
0,5
х I г
+ и.
а
у.п
(6)
Вычислительные эксперименты проводились для горнотехнических и геологических условий Подмосковного угольного бассейна.
Теплофизические свойства бурых углей Подмосковного угольного бассейна были изучены в лабораторных условиях. Для вычислительных экспериментов использовались следующие исходные данные:
аул = 2-10-7 м2/с; иф = 0,0001 ... 0,0009 м/с; Ктп = 10-5... 10-4 1/с;
г = 3 ... 9 ч; х = 0 ... 20 м. Результаты вычислительных экспериментов с использованием зависимости (4) представлены на рис. 2 - 4.
0
0. Е 0.6 0.4 0.2 О
Рис. 2. График зависимости безразмерной температуры 0 от координаты х при следующих значениях V.
1 - 3 ч; 2 - 5 ч; 3 - 7 ч; 4 - 9 ч
График изменения безразмерной температуры на рис. 2 наглядно показывает движение температурного фронта от огневого забоя в глубь угольного пласта. Следовательно, в процессе подземной газификации происходят опережающий прогрев угля в газифицируемом блоке и тепловая подготовка. Довольно быстро после формирования устойчивого горения угля в огневом забое устанавливается стационарный температурный профиль.
Безразмерная температура в стационарном температурном профиле будет зависеть от средней скорости фильтрации воздуха (или другой газовой смеси), поступающего из ряда дутьевых скважин и константы скорости процесса общих тепловых потерь (рис. 3 - 4).
0.4 0.5 0.2 0.1 0
1 / 2
V \ V ^ V 3 /
1 \/ ^ Лч --- ---А 4 5 : /
10
15
х, м
Рис. 3. График зависимости безразмерной температуры 0 от координаты х при следующих значениях иф (м/с):
1 - 0,0001; 2 - 0,0003; 3 - 0,0005; 4 - 0,0007; 5 - 0,0009
0
0.4 0.5 0.2 0.1 О
О
' тг—- ■
1 ^^^
3
2
4
5 ^^
10
15
х, м
Рис. 4. График зависимости безразмерной температуры 0 от координаты х при следующих значениях Ктп (1/с):
1 - 10-5; 2 - 210-4; 3 - 3 10-4; 4 - 7-10"4; 5 - 10
т.п ■4
При фиксированном перепаде давления фильтрационный поток воздуха к огневому забою будет зависеть от проницаемости и трещинова-
тости угольного пласта. Если плотность фильтрационного потока будет недостаточна, то процесс горения будет затухать.
Практика прошлых лет доказала, что в условиях Подмосковного бассейна можно эффективно использовать технологию подземной газификации угля на базе существующего оборудования, обеспечивая устойчивое горение бурого угля в фильтрационном канале. Геотехнологии огневой отработки запасов угля с получением электрической и тепловой энергии при подземном сжигании бурых углей Подмосковного бассейна могут быть использованы для решения проблем диверсификации и технологической реструктуризации энергетики Тульской области и других регионов Центрального федерального округа. Очевидно, что технологическая и социальная инфраструктура Подмосковного угольного бассейна является основой создания конкурентоспособных энергосырьевых предприятий.
Реализация работы развивает концепцию повышения эффективности эксплуатации угольных месторождений и согласуется с выводами других специалистов, занимающихся аналогичными исследованиями [11 -13].
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. Математическая модель динамики теплообмена и экологической безопасности при подземном сжигании оконтуренных целиков угля / В.П. Сафронов, А.Б. Жабин, Н.М. Качурин, И.Н.Зубаков // Извесия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2007. Вып. 2. С. 8388.
4. Качурин Н.М., Зубаков И.Н. Математическая модель подземной газификации угля в фильтрационном канале // Сб. науч. тр. Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и регионального природопользования» / ЮРГТУ(НПИ), 26-28 октября 2011 г. Новочеркасск. 2011. С. 299-302.
5. Способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля: пат. №2522785 РФ; опубл. 20.07.2014. Бюл. №20.
6. Способ комплексного освоения месторождения бурого угля: пат. №2526953 РФ; опубл. 27.08.2014. Бюл. №24.
7. 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.
8. Воробьев С.А., Качурин Н.М. Зарубежный опыт исследования проблем комплексного освоения угольных месторождений подземным способом // Горный журнал. 2016. №5. С. 78-85.
9. Грязев М.В., Качурин Н.М., Захаров Е.И. Горнодобывающая отрасль в экономике Тульской области. Состояние и перспективы // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. Вып. 2. С. 57-66.
10. 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.
11. Учет влияния ситуационных геомеханических условий для совершенствования дегазации подрабатываемого массива горных пород /
B.И. Голик, Ю.И. Разоренов, Ю.В. Дмитрак, О.З. Габараев // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2019. Вып.2.
C.280-289.
12. Аэрогазодинамические процессы в горных выработках и обеспечение аэрологической безопасности при подземной добыче полезных ископаемых / В.И. Голик, Г.В. Стась, А.Н. Качурин, В.П. Стась // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. Вып. 4. 2018. С.338-352.
13. Мельник В.В., Абрамкин Н.И., Абрамкина А.Н. Обоснование и оценка потенциальных возможностей шахт с вовлечением в отработку запасов новых шахтных полей // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2012. № 2. С. 130-136.
14. Принципы и экономическая эффективность комбинирования технологий добычи руд / В.И. Голик, Ю.И. Разоренов, С.Г. Страданченко, З.М. Хашева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 7. С. 6-14.
15. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Каргинов К.Г. Основа устойчивого развития РСО-Алания - горнодобывающая отрасль // Устойчивое развитие горных территорий. 2017. Т. 9. № 2 (32). С. 163-171.
16. Повышение полноты использования недр путем глубокой утилизации отходов обогащения угля / В.И. Голик, В.И. Комащенко, С.Г. Страданченко, С.А. Масленников // Горный журнал. 2012. № 9. С. 91-95.
17. Дмитрак Ю.В., Камнев Е.Н. АО "Ведущий проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт промышленной технологии" - путь длиной в 65 лет // Горный журнал. 2016. № 3. С. 6-12.
18. Анализ управления вентиляционными сетями шахт с помощью имитационных моделей / Х. Х. Кожиев, Р. В. Клюев, И. И. Босиков, Р. Б. Юн // Устойчивое развитие горных территорий. 2017. № 4. С. 414-418.
19. Drebenstedt C. et al. Mit der Erde leben: Fakultät für Geowissen-schaften, Geotechnik und Bergbau. Acamonta: Zeitschrift für Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg. Freiberg, 2014. рр. 62-77.
20. Rolf Dieter Stoll, Christian Niemann-Delius, Carsten Drebenstedt, Klaus Müllensiefen: Der Braunkohlentagebau - Bedeutung, Planung, Betrieb, Technik, Umwelt. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. 2009. Р. 605.
Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, зам. директора Инжинирингового центра, ecology tsu iulaqmail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Копылов Андрей Борисович, д-р техн. наук, зам. директора, ecology Jsu _ tula@, mail.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 Jsu_ tula@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TEMPERATUREREGIME OF COAL BED BY UNDERGROUND COAL GASIFICATION
IN THE FILTRATION CHANNEL
A.N. Kachurin, A.B. Kopylov, G. V. Friedlander, M.P. Ganin
A mathematical model of the temperature regime of a coal bed during underground coal gasification in a filtration channel for new geotechnologies of Tula State University is developed. It is proposed to describe the unsteady temperature field of the coal seam with the one-dimensional heat conduction equation with the heat sink that depends on the temperature of the coal bed. The equation is solved for semi-infinite space. The results of computational experiments have shown that the temperature front from the fire face moves deep into the coal bed. Consequently, in the process of underground gasification, pre-heating of coal in the gasified block and thermal preparation take place. Quite quickly, after the formation of stable combustion of coal in the fire face, a stationary temperature profile is established.
Key words: underground coal gasification, filtration channel, temperature regime, Moscow Coal Basin, thermo-physical process, mathematical modeling.
Kachurin Alexander Nikolaevich, candidate of technical sciences, vice director, ecology tsu iulaqmail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kopilov Andrei Borisovich, doctor of technical sciences, vice director, ecologytsu _tula@, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fridlender Grigoryi Vladimirovich, postgraduate, ecology tsu tulaai, mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ganin Michail Pavlovich, postgraduate, ecology tsu_ tulaai, 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 secure and sustainable supply of row materials in Central Russia // Eurasian Mining. 2016. no. 2.P. 15-19.
3. Mathematical model of heat transfer dynamics and environmental safety in underground combustion of contoured coal blocks / V. p. Safronov, A. B. Zhabin, N. M. Kachurin, I. N. Zubakov // Tula state University. Natural science. 2007. Vol. 2. Pp. 83-88.
4. Kachurin N. M., Zubakov I. N. Mathematical model of underground coal gasification in the filtration channel // SB. nauch. Tr. vserossiyskoy conference "Problems of Geology, planetology, Geoecology and regional nature management" / yurstu (NPI), October 26-28, 2011. Novocherkassk, 2011, Pp. 299-302.
5. 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.
6. Method of complex development of the brown coal Deposit: PA-T. no. 2526953 of the Russian Federation; publ. 27.08.2014. bul .no. 24.
7. 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 Zhur-nal. 2016. no. 2. Pp. 30-35.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Accounting for the influence of situational geomechanical conditions for the improvement of degassing of the mined rock mass / V. I. Golik, Yu. I. Razorenov, Yu. V. Dmitrak, O. Z. Gabaraev // Izvestiya of the Tula state University. Earth science. 2019. Issue 2. Pp. 280-289.
12. Aerogasodynamic processes in mining and ensuring aerological safety in underground mining / V. I. Golik, G. V. Stas, A. N. Kachurin, V. P. Stas // Izvestiya of the Tula state University. Earth science. Issue 4. 2018. Pp. 338-352.
13. Melnik V. V., Abramkin N. I., Abramkina A. N. Justification and assessment of potential opportunities of mines with involvement in the development of reserves of new mine fields // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2012. no. 2. Pp. 130-136.
14. Principles and economic efficiency of combining ore mining technologies / V. I. Golik, Yu. I. Razorenov, S. G. Stradanchenko, Z. M. Khasheva // Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Engineering of geo resources. 2015. Vol. 326. No. 7. P. 6-14.
15. Golik V. I., Razorenov Yu. I., karginov K. G. Basis of sustainable development of RSO-Alania-mining industry // Sustainable development of mountain territories. 2017. Vol. 9. No. 2 (32). Pp. 163-171.
16. Increasing the completeness of the use of mineral resources by deep uti-lization of coal enrichment waste / V. I. Golik, V. I. Komashchenko, S. G. Stradanchenko, S. A. Maslennikov // Mining journal. 2012. no. 9. Pp. 91-95.
17. Dmitrak Yu. V., Kamnev E. N. JSC "Leading design and survey and research Institute of industrial technology" - path length of 65 years // Mining journal. 2016. no. 3. Pp. 612.
18. Analysis of control of ventilation networks of mines using simulation models / Kh. Kh. Kojiev, R. V. Klyuyev, I. I. Bosikov, R. B. Yun // Sustainable development of mountain territories. 2017. No. 4. Pp. 414-418.
19. Drebenstedt C. et al. Mit der Erde leben: Fakultät für Geowissen-schaften, Ge-otechnik und Bergbau. Acamonta: Zeitschrift für Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg. Freiberg, 2014. PP. 62-77.
20. Rolf Dieter Stoll, Christian Niemann-Delius, Carsten Drebenstedt, Klaus Müllensiefen: Der Braunkohlentagebau - Bedeutung, Planung, Betrieb, Technik, Umwelt. SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg. 2009. P. 605.
УДК: 622.83:[528.2:629.78]
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОТКОПЕРИОДНОЙ ГЕОДИНАМИКИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД КАЧКАНАРСКОГО ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА
А.А. Панжин, Н.А. Панжина
Приводятся методика и результаты исследования современной короткопери-одной геодинамики активности массива горных пород Качканарского горнообогатительного комбината. Определение параметров геодинамических движений осуществляется в виде непрерывного мониторинга комплексами спутниковой геодезии за системой пунктов в течение нескольких часов или суток. Необходимость в проведении исследований по организации геодинамического мониторинга на карьерах Качканарского ГОКа обусловлена особенностями тектонического строения вмещающего массива, в частности, влиянием серии активных тектонических нарушений, пересекающих карьеры и хвостохранилища. С проявлениями геодинамической активности, реализующейся в виде трендовых и цикличных короткопериодных подвижек по тектоническим нарушениям, связаны деформационные процессы, происходящие на Северозападном борту Главного карьера, а также прорыв дамбы хвостохранилища. Показана роль цикличных геодинамических движений в формировании общего напряженно-деформированного состояния района размещения карьеров и хвостохранилищ. При этом указанные геодинамические движения приводят к формированию усталостных эффектов в конструкциях и материалах, «расшатыванию» массива горных пород, слагающих прибортовой массив, изменению прочностных свойств грунтов, находящихся в основании инженерных сооружений, проявлению эффекта тиксотропии.
Ключевые слова: современная геодинамическая активность, деформации, массив горных пород, тектонические нарушения, геодинамический мониторинг, коротко-периодная геодинамика, спутниковая геодезия.
Введение. Горно-технологическая система Качканарского горнообогатительного комбината (ЕВРАЗ КГОК), ведущего отработку Гусево-горского железорудного месторождения, включает в себя четыре карьера -
