Научная статья на тему 'Тепловой режим большепролётных выработок при строительстве объектов атомной энергетики'

Тепловой режим большепролётных выработок при строительстве объектов атомной энергетики Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
49
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
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 / UNDERGROUND COMPLEX / MINING EXCAVATION / PERMAFROST / TEMPERATURE FIELD / SMALL NUCLEAR POWER PLANT / MATHEMATICAL MODELLING OF HEAT TRANSFER PROCESSES / PORE MEDIA / PHASE TRANSFERS / ANSYS FLUENT SOFTWARE

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Карначёв Игорь Павлович, Николаев Виктор Григорьевич, Бирюков Валерий Валентинович, Гусак Сергей Андреевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Карначёв Игорь Павлович, Николаев Виктор Григорьевич, Бирюков Валерий Валентинович, Гусак Сергей Андреевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE THERMAL MODE OF LARGE-SPAN EXCA VATIONS DURING THE CONSTRUCTION OF NUCLEAR POWER FACILITIES

The paper observes particular experimental research results on increase of stability of mining excavations in a permafrost area under low positive temperatures. The authors discuss the tasks on determining the temperature field parameters around the different-section excavations of underground small nuclear power plants at the construction stage. The mathematical models were designed for heat transfer processes in frozen rocks. The rocks were simulated as pore media filled with water with phase transfer under heating. This allowed creating virtual computing stands on which it became possible to work out the thermal modes of excavation driving.

Текст научной работы на тему «Тепловой режим большепролётных выработок при строительстве объектов атомной энергетики»

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-

ния северных регионов показывает, что технологические процессы, обеспечивающие безопасность подземного строительства в многолетнемёрзлых породах и предопределяют необходимость научного обоснования температурного режима на всех этапах жизненного цикла подземного объекта.

При строительстве подземных атомных станций малой мощности (АСММ) в арктических условиях необходимо принимать во внимание целый ряд специфических факторов, связанных как с климатическими особенностями, так и особенностями эксплуатации самого подземного объекта, основными из которых являются:

- наличие многолетней мерзлоты;

- радиационное воздействие, способное изменять физико-механические свойства вмещающего массива и строительных конструкций;

- повышенный температурный режим внутри камерных выработок при эксплуатации;

- знакопеременный температурный режим на контактах строительных конструкций и породного массива;

- краткосрочное воздействие высоких давлений и температур при аварии, способное вызвать снижение несущей способности породного массива [1,2].

Обеспечение устойчивости подземных сооружений в многолетне-мерзлых породах связано с поддержанием теплового режима на всех этапах жизненного цикла подземного объекта. Важным показателем при подземном размещении АСММ является оценка напряженного состояния при-контурного массива и строительных конструкций при тепловом воздействии. Неравномерность распределения температуры в нагреваемом поверхностном слое обуславливают образование термических напряжений в массиве. Проявляется влияние фазовых переходов жидкости (вода-лёд) и связанное с этим изменение физических свойств пород и массива в целом

[3].

Воздействие циклов замораживания-оттаивания на горные породы приводит к снижению прочности вплоть до полной дезинтеграции. При оттаивании горных пород их прочность снижается, устойчивое состояние выработки нарушается, и увеличивается нагрузка на крепь. Когда нагрузки на крепь превышают допустимые значения, происходят необратимые деформации кровли и стенок выработки, последствиями которых могут быть отслоения и обрушения пород приконтурного массива [4].

Поскольку образуемое тепло оказывает негативное воздействия на вмещающий породный массив, разрабатываемые проекты должны быть направлены на сохранение первоначальных свойства породного массива и включать меры по их защите. Поэтому исследование особенностей теплового взаимодействия подземных сооружений с мёрзлыми горными породами, имеет большое значение [5].

На рудниках Севера получили распространение два типа теплового режима: «положительный» и «отрицательный». При первом, поддержание положительной температуры воздуха во всех выработках осуществляется путем его подогрева до температуры выше 5 °С перед подачей в выработки, при втором тепловом режиме работы ведутся в холодный период года без подогрева воздуха, что исключает оттаивание мерзлых пород.

Отрицательные и знакопеременные температуры горных пород и шахтного воздуха на стадии строительства, помимо изменений свойств мерзлых пород вызывают: смерзаемость отбитой горной массы; снижение надежности работы водопроводов; обледенение; переохлаждение горнорабочих при активной вентиляции; повышение производственного травматизма и т.д. Отрицательная температура воздуха в горных выработках в условиях многолетней мерзлоты не обеспечивает комфортных условий труда, снижает производительность работ на 20 % и повышает трудоемкость процессов горного производства.

Для обеспечения устойчивости горных выработок подземного комплекса АСММ в многолетней мерзлоте возможно применение различных теплозащитных систем, которые используются как на стадии строительства выработки, так и при эксплуатации комплекса. В качестве основных теплозащитных систем можно отметить следующее:

- теплоизоляция;

- искусственное охлаждение;

- принудительное замораживание при строительстве и в аварийных ситуациях;

- системы отвода тепла;

- использование конструкционных материалов для снижения влияния как положительных, так и отрицательных температур на горные породы и бетонные конструкции.

Одним из эффективных способов обеспечения устойчивости выработок в условиях многолетнемерзлых пород на стадии эксплуатации является их теплоизоляция, которая позволяет исключить или значительно уменьшить термоциклическое воздействие на массив горных пород. При этом с повышением начальной температуры воздуха роль теплоизоляции значительно возрастает [6]. В связи с этим для обоснования температурного режима в период строительства камерных выработок различного поперечного сечения разработана математическая модель, учитывающая основные факторы, влияющие на теплофизические характеристики. На рис. 1 показана принципиальная схема основных параметров выработок подземного комплекса.

Диапазон основных геометрических параметров камерных выработок

Структура теплового режима подземной АСММ на различных этапах

Рис. 1. Принципиальная схема основных параметров выработок

подземного комплекса

В рамках оценки способов управления состоянием породного массива в условиях криолитозоны методами математического моделирования исследовано тепловое состояние горных пород вокруг камерной выработки.

Перенос энергии в пористой среде. Большинство природных сред являются многофазными. Суспензии и эмульсии, пены и туманы различаются по виду дисперсных и диспергирующих фаз. Одной такой разновидностью является пористая среда, в которой твердая фаза является диспергирующей, а жидкая дисперсной. Все природные горные породы являются пористыми средами. В пористых средах происходят процессы переноса жидкостей и компонентов жидкостей под действием различных физических сил при наличии градиентов плотности и концентрации компонентов, градиентов давления. На основе уравнения переноса энергии была пористой среды. Горная порода моделируется пористой средой с определенной пористостью. В пористой среде находится жидкость - вода.

Уравнение переноса энергии в пористой среде (1) включает в себя перенос энергии методами кондукции и конвекции пропорционально содержанию в среде твердой и жидкой части в соответствии с пористостью среды у [8]:

г л (1)

-(ургЕг +(1 - ) + v( V (ргЕг + р)) =

= У

Кгг VT -^г +[т* ■ V)

V ] J

+ \,

где д(рЕ) - изменение полной энергии Е единицы массы р со временем; V(V(рЕ + р)) - компонент, описывающий конвективный перенос

энергии E единицей массы р в среде, движущейся со скоростью V, и под давлением p; keffVT) - компонент, описывающий кондуктивный перенос энергии, связанный с градиентом температур. В случае анизотропной среды используется коэффициент теплопередачи klJ^; v(тeff ' V) - источник

энергии, связанный с вязким трением в потоке жидкости; V

'а.

V . У

- ис-

точник энергии (энтальпии), связанный с появлением в системе новой массы вследствие химических реакций или фазовых переходов; Бк - поступление энергии из за границы расчетного объема; kef _ykf +(1 -у)ks- эффективный коэффициент теплопроводности в пористой среде; у - пористость среды; к^, к - коэффициент теплопроводности жидкой и твердой

фаз соответственно.

Поры в горной породе закрытые, то есть фильтрации жидкости не происходит. Это позволяет сделать существенные упрощения. Поскольку нет движения жидкости в порах, то можно отказаться от описания конвективного переноса энергии и описывать только кондуктивный. Можно исключить также уравнения сохранения момента количества движения, связанные с жидкой фазой и приток массы из-за границ расчетного объема. В массиве твердого тела перенос энергии можно описать уравнением кон-дуктивного теплообмена

д

-(рН ^Т) + 5, (2)

д?

где Н - энтальпия процесса; р - плотность материала; 5 - сторонний источник.

Ураенения переноса энергии с учетом фазового перехода. Полная энтальпия материала определяется как сумма явной энтальпии к и скрытой теплоты фазового перехода АН (3,4) [9].

Н _Л + АН ; (3)

Л = Кф + | С, dT, (4)

Т

1 реф

где Лреф - справочная энтальпия материала при данной температуре; Треф -температура материала в точке; Ср - теплоемкость материала при постоянном давлении.

Определение доли жидкой фракции материала в (удельная доля от всего материала) производится по зависимости вида

Т - Т

в _ _яоШия (5)

Tliquidus Tsolidus

где в=0, если Т < Toi,dus ; в = 1 если Т > Tliquidus ; Tsolidus < T < Tliquidus '

Определение доли энтальпии с учетом скрытой теплоты фазового перехода. Величину доли энтальпии с учетом скрытой теплоты фазового перехода L находят по следующей зависимости:

AH = PL. (6)

Скрытая теплота L=0, если вещество находится в твердом состоянии.

Математическая модель процесса переноса тепла в массиве скальных горных пород выполнена в программном комплексе ANSYS Fluent (лицензия Горного института ФИЦ КНЦ РАН) [10].

ANSYS FLUENT имеет широкие возможности для моделирования тепловых процессов в задачах переноса энергии методами кондукции, конвекции и переноса излучения в твердых, жидких, газообразных однородных и различных многофазных средах. В программном комплексе заложен математический аппарат для моделирования различных пористых сред, в том числе с различными фазовыми переходами и химическими реакциями (рис. 2).

В CAD редакторе Gambit была разработана расчетная геометрия задачи (рис. 1). Были смоделированы четыре варианта Площади поперечного сечения выработок в моделях составляют 20, 45, 100 и 180 м . Протяженность расчетной геометрии по вертикали и горизонтали равна 100 м. В задаче такие размеры выбраны для компенсации погрешностей расчета, вносимых граничными условиями.

Рис. 2. Двумерная расчетная сетка задачи теплопереноса в замороженном пористом гранитном массиве

Разработанная математическая модель процесса переноса энергии в массиве горных пород выполнена в виде виртуального стенда, позволяющего проводить вычислительные эксперименты с различными граничными и начальными условиями и различными физическими свойствами горных пород (таблица).

В качестве начальных и граничных условий выбраны следующие параметры:

1) температура стенки внутренней обделки выработки набрызгбето-ном составляет 277 К (+4 0С);

2) температура внешней границы гранитного массива составляет 266 К (-7 0С);

3) начальная температура пористого гранита и обделки выработки набрызгбетоном составляет 266 К (-7 0С).

Физические свойства материалов моделей теплопередачи

Материал модели Толщина слоя, м Пористость, % Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) Плотность, Кг/м3 Теплоемкость, Дж/(кг-К)

Набрызг бетон (временная крепь) 0,15 1,69 2300 840

Гранит - 0,2 3,4 2650 880

Рис. 3. Распределение температур в гранитах с различной пористостью 0,2 и 4 % через 540 часов от начала процесса теплопередачи для выработок сечением 20 м2 (поры заполнены водой)

2.77в+02 2.76в+02 2.76е+02 2.75S+02

2.75Я+02

2.74е+02

2.74е+02

2.73S+02

2.73В+02

2.72В+02

2.72в+02

2.71 в+02

2.70е+02

2.7DB+02

2.S9B+02

2.59В+С2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2.68B -t-C 2

2.68е+02

2.67е+02

2.07е+О2

2.38е+02

. imitiH ■: ■ I > т | j; 11 ■ ■ 11[ рвфщр ::

F» 28.2019

АЫ8УЗ Flenl 1<(5(2d, ptie. lam. tnsraenli

Рис. 4. Распределение температур в массиве горных пород через 540 часов от начала процесса теплопередачи для выработок с сечениями 20 и 180 м2 (поры заполнены водой)

* 10 JO • 100 140 • 200 250 360 ••1Д1 • 430 • joe • 540 Т'С ? Т'К 2.В0е+02

1 2.70е+О2

% 2.76е+02

Время 1 2.74е+02

процесса, часы 0 -1 02 , 2.72е+02

-3 2.70е+02

-J 2.60Й+О2

-7 2.66е+02

-9 2 64е+02

Tpi ^щинов атый -

k Tew перату )а фазе ного не рехода

- 1 н «1 а

'••it

♦ _*. *

*

% •f *> *)<|

• ......

s * - <Н( у

о + * ..... Г.

* * * ........

Е Г-----

2.5

3 5

Position (m)

4.5

Feb 15, 2019

ANSYS Fluent 14.5 (2d. pbns [am, transient)

Рис. 5. Графики распределения температур в массиве гранита для различного времени от начала процесса оттаивания

Получена формула зависимости координаты оттаивания от площади поперечного сечения выработки и времени, прошедшего от начала процесса следующего вида:

^ /о \ А тс Г 0,0024 • £ Г X (£,t) = 0,015 •>/Г +—-, (7)

оттУ ' 1 + 0,1 • £ '

где Хотт - координата точки оттаивания, м ; 5 - площадь сечения выр а-

ботки, м2; ? - время от нач ала процесса, час.

Данная формула позволяет определить зависимость координаты точки фазового перехода через 10, 20, 50 и 100 часов прошедшего от начала процесса для различной площади поперечного сечения выработок (рис. 6).

м

Координата точки

фазового 0.4 перехода

-10 о.З

-50 0.2

часов от начала процесса

0

50 100 150 200

Площадь поперечного сечения выработки, м2

Рис. 6. Зависимость координаты точки фазового перехода от начала процесса от различной площади поперечного сечения выработки

В результате проведения вычислительных экспериментов была получена информация по тепловому состоянию горной породы с течением времени (рис. 5 - 7).

Используя методы математического моделирования процессов теплопередачи в пористых средах с фазовым переходом - удалось построить вычислительные стенды для отработки тепловых и температурных режимов строительства и эксплуатации горных выработок различных сечений в условиях вечной мерзлоты. В вычислительных экспериментах можно варьировать величины физических свойств горных пород, такие как плотность, теплопроводность, теплоемкость, величину и отдельные свойства их пористости, тепловые граничные условия.

Представленный в работе подход по расчету теплового состояния горных пород, разработанный на основе методов математического моделирования, позволяет получить динамическую карту температурных полей, и с его помощью обосновать вопрос устойчивости большепролётных выработок, за счёт формирования оптимального теплового режима в горных выработках.

Рис. 7. Графики зависимости координаты фазового перехода от времени процесса для выработок различного поперечного сечения,

где * * * - точки получены по результатам вычислительного

эксперимента, — — - точки аппроксимированы по эмпирической

зависимости

Знание конфигурации температурных полей дает возможность успешно управлять свойствами и состоянием вмещающего многолетне-мёрзлого породного массива в процессе проходки и возведения крепи. Анализ результатов проведенной серии вычислительных экспериментов выявил возможность проведения проходческих горных работ подземных комплексов без применения специальной техники для охлаждения горных пород и предотвращения их размораживания. Используя температурный режим при проведении работ в объеме горной выработки в диапазоне от 0 до 5 0С возможно избежать процессов размораживания. Методы математического моделирования позволили решить вопрос о целесообразности использования теплоизоляции горных выработок различного поперечного сечения на этапе строительства и обосновать отказ от поддержания режима высоких положительных температур, применяя для проветривания воздух с низкими положительными температурами, что особое значение имеет для обеспечения безопасности труда работников при проведении комплекса подземных горных работ [11].

Список литературы

1. Смирнов Ю.Г., Орлов А.О. Анализ мирового опыта строительства подземных атомных станций и оценка возможности его использования для арктических регионов России // Вестник МГТУ. 2016. Т. 19. № 1/1. С. 47-52.

2. Орлов А.О., Смирнов Ю.Г. Обоснование эффективных способов размещения подземных комплексов атомных станций малой мощности в российской Арктике // Известия вузов. Горн. журнал. 2016. № 4. С. 18-23.

3. Подземные атомные станции - анализ безопасности, консервация и технико-экономические показатели строительства / Н.Н. Мельников, В.В. Гущин, В. П. Конухин, В.А. Наумов. Апатиты: КНЦ АН СССР, 1989. 130 с.

4. Шувалов Ю.В., Галкин А.Ф. Теория и практика оптимального управления тепловым режимом подземных сооружений криолитозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. № 8. C. 365-370.

5. Хохолов Ю.А. Математическое моделирование процессов теплообмена в подземных выработках криолитозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 1. Т. 12. C.102-110.

6. Галкин А.Ф. Повышение устойчивости горных выработок в криолитозоне // Записки Горного института. 2014. Т. 207. С.99-102.

7. Павлов А.Р., Пермяков П.П. Математическая модель и алгоритмы расчета на ЭВМ тепло и массопереноса при промерзании грунта // Инженерно-физический журнал. 1983. Т.44. N 22. С. 311-316.

8. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784с.

9. Anderson D.M., Morgenctem N.R. Physics, Chemistry, and Mechanics of frozen ground // Permafrost, North American Contribution, Second International Conference. Wachington, 1973. P. 257-288.

10. https://www.ansys.com/ - официальный сайт.

11. Травматизм и профессиональная заболеваемость при подземной добыче полезных ископаемых /Н.М. Качурин и [др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 356 с.

Карначёв Игорь Павлович, д-р техн. наук, проф., IgorKarnachev@yandex.ru, Россия, Апатиты (Мурманская область), Филиал Мурманского арктического государственного университета в г. Апатиты,

Николаев Виктор Григорьевич, канд. физ.-мат. наук, доц., зав. кафедрой, nico-laev@,acticsu.ru, Россия, Апатиты (Мурманская область), Филиал Мурманского арктического государственного университета в г. Апатиты,

Бирюков Валерий Валентинович, науч. сотрудник, birukov@goi. kolasc. net. ru, Россия, Апатиты (Мурманская область), Горный институт Федерального исследова-

тельского центра Кольского научного центра Российской академии наук (ФНЦ КНЦ РАН),

Гусак Сергей Андреевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник, gusnat52@mail.ru, Россия, Апатиты (Мурманской области), Горный институт Федерального исследовательского центра Кольского научного центра Российской академии наук (ФНЦ КНЦ РАН)

THE THERMAL MODE OF LARGE-SPAN EXCA VATIONS DURING THE CONSTRUCTION OF NUCLEAR POWER FACILITIES

I.P. Karnachev, V.G. Nikolaev, V.V. Biryukov, S.A. Gusak

The paper observes particular experimental research results on increase of stability of mining excavations in a permafrost area under low positive temperatures. The authors discuss the tasks on determining the temperature field parameters around the different-section excavations of underground small nuclear power plants at the construction stage. The mathematical models were designed for heat transfer processes in frozen rocks. The rocks were simulated as pore media filled with water with phase transfer under heating. This allowed creating virtual computing stands on which it became possible to work out the thermal modes of excavation driving.

Key words: underground complex, mining excavation, permafrost, temperature field, small nuclear power plant, mathematical modelling of heat transfer processes, pore media, phase transfers, Ansys Fluent software.

Karnachev Igor Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, IgorKarnachev @yandex.ru, Russia, Apatite, Branch of the Murmansk Arctic State University,

Nikolaev Victor Grigorievich, candidate of physical-mathematical sciences, head of chair, nicolaev@acticsu. ru, Russia, Apatite, Branch of the Murmansk Arctic State University,

Biryukov Valery Valentinovich, scientific researcher, birukov@goi. kolasc. net. ru, Russia, Apatity, Mining Institute of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences,

Gusak Sergey Andreevich, candidate of technical sciences, leading researcher gusnat52@mail. ru, Russia, Apatite, Mining Institute of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Reference

1. Smirnov Yu. G., Orlov A. O. Analysis of the world experience in the construction of underground nuclear power stations and assessment of the possibility of its use for the Arctic regions of Russia // Vestnik MSTU. 2016. Vol. 19. No. 1/1. Pp. 47-52.

2. Orlov A. O., Smirnov Yu. g. Justification of effective ways to locate underground complexes of low-power nuclear power plants in the Russian Arctic // University news. Gorn. log. 2016. no. 4. Pp. 18-23.

3. Underground nuclear power plants-safety analysis, conservation and technical and economic indicators of construction / N. N. Melnikov, V. V. Gushchin, V. P. Konukhin, V. A. Naumov. Apatity: Kola science center as USSR, 1989. 130 C.

4. Shuvalov Y. V., Galkin A. F. Theory and practice of optimal control of thermal conditions of the permafrost underground structures // Mining information-analytical Bulletin. 2010. no. 8. C. 365-370.

5. Khokholov Yu. a. Mathematical modeling of heat exchange processes in underground workings of the cryolithozone // Gorny information and analytical Bulletin. 2005. No. 1. Vol. 12. C. 102-110.

6. Galkin A. F. Increasing the stability of mining workings in the cryolithozone // Notes of the Mining Institute. 2014. T. 207. P. 99-102.

7. Pavlov A. R., Permyakov P. P. Mathematical model and algorithms for calculating heat and mass transfer on a computer during ground freezing // Engineering and physical journal, 1983, Vol. 44, N 22, Pp. 311-316.

8. Samarsky A. A., Vabishchevich P. N. Computational heat transfer. Moscow: unified URSS, 2003. 784s.

9. Anderson D.M., Morgenctem N.R. Physics, Chemistry, and Mechanics of frozen ground // Permafrost, North American Contribution, Second International Conference. Wachington, 1973. P. 257-288.

10. https://www.ansys.com/ - official website.

11. Traumatism and occupational morbidity in underground mining / N. M. Kachurin and [et al.]. Tula: Tulsu Publishing house, 2012. 356 p.

УДК 622.2

ТЕПЛООБМЕН УГОЛЬНОГО ПЛАСТА С ВМЕЩАЮЩИМИ ПОРОДАМИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Н.М. Качурин, Е.И. Захаров, Г.В. Фридлендер, М.П. Ганин

Показано, что тепло, уходящее из зоны химической реакции за счет теплопроводности, расходуется на термическую подготовку угольного пласта и нагрев вмещающих пород. Сделано предположение, что с достаточной степенью точности можно считать, что тепловые потоки перпендикулярны поверхностям, отдающим тепло. Это позволило, совмещая начала координатных осей с этими поверхностями, разработать математическую модель теплообмена газифицируемого угольного пласта с вмещающими породами. Отмечено, что модель комплексного использования породо-угольного комплекса угольных месторождений позволяет выйти на новый технологический уровень, используя подземную газификацию угля.

Ключевые слова: подземная газификация угля, теплообмен, теплопотери, угольный пласт, вмещающие породы, математическая модель, вычислительный эксперимент.

В качестве физической модели процесса подземной газификации угольного пласта принята модель, в соответствии с которой горение угля определяется интенсивностью трех различных процессов: химической реакцией кислорода с углем на поверхности огневого забоя, сопровождающейся выделением тепла; конвективно-диффузионным переносом кислорода к огневому забою и отводом газообразных продуктов реакции. Оче-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.