Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт

Метою даної роботи є розробка і верифікація чисельної моделі течії шахтних вод та переносу тепла у порушеному гірському масиві в зоні впливу геотермальної системи відкритого типу з прогнозом показників їх енергоефективності відповідно до існуючих геолого-гідрогеологічних умов та техногенної порушен...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2022
Hauptverfasser:	Рудаков, Д.В., Інкін, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2022
Schriftenreihe:	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
Schlagworte:	Фізика гірничих процесів на великих глибинах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189995
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт / Д.В. Рудаков, О.В. Інкін // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2022. — Вип. 24. — С. 82-102. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-189995
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1899952023-05-14T22:00:09Z Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт Рудаков, Д.В. Інкін, О.В. Фізика гірничих процесів на великих глибинах Метою даної роботи є розробка і верифікація чисельної моделі течії шахтних вод та переносу тепла у порушеному гірському масиві в зоні впливу геотермальної системи відкритого типу з прогнозом показників їх енергоефективності відповідно до існуючих геолого-гідрогеологічних умов та техногенної порушеності відпрацьованого масиву. Методика базується на використанні скінченнорізницевою моделі тривимірною течії шахтних вод та теплоперенесення через неоднорідне пористе середовище. Обчислювальна реалізація моделі виконана за допомогою програми ModFlow, призначеної для рішення рівнянь фільтрації і перенесення у водонасичених породах. Результати. Для умов шахти № 2 «Новогродівська» визначено діапазон температури шахтних вод, що пропонується відбирати за умови підтримання безпечного рівня води для попередження підтоплення й засолення верхнього водоносного горизонту протягом 25 років можливої експлуатації; оцінений діапазон 18 – 21С в цілому узгоджується з показниками геотермальної системи на шахті «Благодатна» у Західному Донбасі. Показано, що очікується незначне охолодження шахтних вод внаслідок переважання відбору тепла над припливом геотермального тепла знизу за механізмом заміщення теплих шахтних вод більш холодними інфільтраційними водами. Наукова новизна. Розроблена чисельна тривимірна модель тепло перенесення, яка відтворює просторову неоднорідність руху підземних вод і температурних полів навколо геотермальної системи в затопленій шахті та еволюцію температурного поля при різній інтенсивності інфільтраційного живлення. Практична значимість. Запропонована модель теплоперенесення у геотермальних системах дозволяє визначати і оптимізувати параметри їх роботи за критеріями енергоефективності, оцінювати зміни теплового стану породного масиву і шахтних вод за різних умов експлуатації систем при підтримуванні безпечного рівня шахтних вод. The purpose of this study is the development and validation of a numerical model to simulate mine water flow and heat transport in disturbed rocks in the zone influenced by an open geothermal system with the prediction of their energy efficiency indicators under the existing geological and hydrogeological settings and technogenic disturbance of mined-out rocks. Method is based on using a finite difference model of 3D mine water flow and heat transport through a heterogeneous porous medium. The computational model was created using the ModFlow software intended for solving the simultaneous equations of flow and transport in water-saturated rocks. Results. For the conditions of mine No.2 "Novogrodivska" we evaluated the temperature range of mine water that is proposed to be selected under the condition of maintaining a safe water level in order to prevent waterlogging and salinization of the shallow aquifer during 25 years of possible operation; the estimated range of 18–21С is generally consistent with the indicators of the geothermal system at the "Blagodatna" mine in Western Donbas. It has been shown that the slight cooling of withdrawn mine water is expected due to the predominance of heat extraction over geothermal heat inflow from below by the mechanism of replacing warm mine water by colder infiltration water. Scientific novelty. The developed numerical 3D heat transport model reproduces the spatial heterogeneity of groundwater flow and temperature fields around the geothermal system in a flooded mine and the evolution of the temperature field at different rates of the infiltration recharge. Practical significance. The proposed model of heat transport in geothermal systems allows to determine and optimize the operational parameters according to energy efficiency criteria and evaluate changes in the thermal status of rocks and mine waters under different conditions of system operation with maintaining a safe mine water level 2022 Article Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт / Д.В. Рудаков, О.В. Інкін // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2022. — Вип. 24. — С. 82-102. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 2664-17716 DOI: https://doi.org10.37101/ftpgp24.01.007 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189995 622.228+[662.97:621.571.22] uk Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Фізика гірничих процесів на великих глибинах Фізика гірничих процесів на великих глибинах
spellingShingle	Фізика гірничих процесів на великих глибинах Фізика гірничих процесів на великих глибинах Рудаков, Д.В. Інкін, О.В. Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
description	Метою даної роботи є розробка і верифікація чисельної моделі течії шахтних вод та переносу тепла у порушеному гірському масиві в зоні впливу геотермальної системи відкритого типу з прогнозом показників їх енергоефективності відповідно до існуючих геолого-гідрогеологічних умов та техногенної порушеності відпрацьованого масиву. Методика базується на використанні скінченнорізницевою моделі тривимірною течії шахтних вод та теплоперенесення через неоднорідне пористе середовище. Обчислювальна реалізація моделі виконана за допомогою програми ModFlow, призначеної для рішення рівнянь фільтрації і перенесення у водонасичених породах. Результати. Для умов шахти № 2 «Новогродівська» визначено діапазон температури шахтних вод, що пропонується відбирати за умови підтримання безпечного рівня води для попередження підтоплення й засолення верхнього водоносного горизонту протягом 25 років можливої експлуатації; оцінений діапазон 18 – 21С в цілому узгоджується з показниками геотермальної системи на шахті «Благодатна» у Західному Донбасі. Показано, що очікується незначне охолодження шахтних вод внаслідок переважання відбору тепла над припливом геотермального тепла знизу за механізмом заміщення теплих шахтних вод більш холодними інфільтраційними водами. Наукова новизна. Розроблена чисельна тривимірна модель тепло перенесення, яка відтворює просторову неоднорідність руху підземних вод і температурних полів навколо геотермальної системи в затопленій шахті та еволюцію температурного поля при різній інтенсивності інфільтраційного живлення. Практична значимість. Запропонована модель теплоперенесення у геотермальних системах дозволяє визначати і оптимізувати параметри їх роботи за критеріями енергоефективності, оцінювати зміни теплового стану породного масиву і шахтних вод за різних умов експлуатації систем при підтримуванні безпечного рівня шахтних вод.
format	Article
author	Рудаков, Д.В. Інкін, О.В.
author_facet	Рудаков, Д.В. Інкін, О.В.
author_sort	Рудаков, Д.В.
title	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт
title_short	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт
title_full	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт
title_fullStr	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт
title_full_unstemmed	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт
title_sort	моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2022
topic_facet	Фізика гірничих процесів на великих глибинах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189995
citation_txt	Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт / Д.В. Рудаков, О.В. Інкін // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2022. — Вип. 24. — С. 82-102. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
work_keys_str_mv	AT rudakovdv modelûvannâruhušahtnihvodíteploperenesennâvumovahzakritihšaht AT ínkínov modelûvannâruhušahtnihvodíteploperenesennâvumovahzakritihšaht
first_indexed	2025-07-16T12:41:01Z
last_indexed	2025-07-16T12:41:01Z
_version_	1837807344056008704
fulltext	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 82 УДК 622.228+[662.97:621.571.22] https://doi.org10.37101/ftpgp24.01.007 МОДЕЛЮВАННЯ РУХУ ШАХТНИХ ВОД І ТЕПЛОПЕРЕНЕСЕННЯ В УМОВАХ ЗАКРИТИХ ШАХТ Д.В. Рудаков1, О.В. Інкін1, 2* 1Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна 2Відділення фізики гірничих процесів Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпро, Україна Відповідальний автор: e-mail: inkin@ua.fm SIMULATION OF MINE WATER FLOW AND HEAT TRANSPORT IN THE CONDITIONS OF CLOSED MINES D.V. Rudakov1, O.V. Inkin1, 2 1Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine 2Branch for Physics of Mining Processes of the M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine Corresponding author: e-mail: inkin@ua.fm ABSTRACT The purpose of this study is the development and validation of a numerical model to simulate mine water flow and heat transport in disturbed rocks in the zone influenced by an open geothermal system with the prediction of their energy efficiency indicators under the existing geological and hydrogeological settings and technogenic disturbance of mined-out rocks. Method is based on using a finite difference model of 3D mine water flow and heat transport through a heterogeneous porous medium. The computational model was created using the ModFlow software intended for solving the simultaneous equations of flow and transport in water-saturated rocks. Results. For the conditions of mine No.2 "Novogrodivska" we evaluated the temperature range of mine water that is proposed to be selected under the condition of maintaining a safe water level in order to prevent waterlogging and salinization of the shallow aquifer during 25 years of possible operation; the estimated range of 18–21С is generally consistent with the indicators of the geothermal system at the "Blagodatna" mine in Western Donbas. It has been shown that the slight cooling of withdrawn mine water is expected due to the predominance of heat extraction over geothermal heat inflow from below by the mechanism of replacing warm mine water by colder infiltration water. Scientific novelty. The developed numerical 3D heat transport model reproduces the spatial heterogeneity of groundwater flow and temperature fields around the Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 83 geothermal system in a flooded mine and the evolution of the temperature field at different rates of the infiltration recharge. Practical significance. The proposed model of heat transport in geothermal systems allows to determine and optimize the operational parameters according to energy efficiency criteria and evaluate changes in the thermal status of rocks and mine waters under different conditions of system operation with maintaining a safe mine water level. Keywords: closed mine, geothermal systems, mine water, flow, heat transfer, modelling 1. ВСТУП Державна політика України з енергоресурсозбереження передбачає сут- тєве розширення обсягів використання нетрадиційних і відновлюваних дже- рел енергії з урахуванням екологічної складової. Відповідно до положень «Енергетичної стратегії України на період до 2030 р.» проблемам енергозбе- реження, використанню відновлюваних джерел енергії і відповідно змен- шенню техногенного навантаження на навколишнє середовище приділяється велика увага. В найближчі роки має бути забезпечена економія традиційних паливно-енергетичних ресурсів на рівні 8-10% від їх загального споживання. Завдяки цьому можуть бути зекономлені значні обсяги традиційних енерго- носіїв і коштів з державного бюджету на їх одержання за імпортом [1]. Одним із перспективних видів відновлюваних джерел енергії для України, є геотермальні ресурси [2], що характеризуються невичерпністю, незалежні- стю від пори року та умов навколишнього середовища, відсутністю викидів вуглекислого газу і інших токсичних речовин в атмосферу. Виходячи зі сві- тового науково-практичного досвіду [3], освоєння цих ресурсів доцільно про- водити за допомогою геотермальних систем різних типів, ефективність яких суттєво збільшується при сумісному використанні тепла Землі та теплового ресурсу закритих вугледобувних підприємств, кількість яких у нашій країні постійно збільшується. Експлуатація геотермальних систем на непрацюючих шахтах можлива і добре апробована у деяких країнах за кількома технологічними схемами [4], кожна з яких потребує термодинамічного, гідрогеологічного та техніко-еко- номічного обґрунтування. Проте виконання таких оцінок на практиці викли- кає ряд труднощів, пов'язаних з неоднорідністю гірських порід в межах шах- тного поля та зон ведення гірничих робіт, впливом інфільтрації, зміною тем- ператури та рівнів шахтних вод з часом. У зв'язку з цим, метою даної роботи є розробка і верифікація деталізованої чисельної моделі течії шахтних вод та переносу тепла у порушеному гірському масиві в зоні впливу геотермальних систем, для прогнозу показників їх роботи в різних технологічних варіантах та природних умовах. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 84 2. МЕТОДИКА Підроблений масив вугленосних порід, в якому зазвичай розміщуються ге- отермальні системи, містить підземні виробки різної геометрії, і по суті, є не- однорідним гідравлічно проникним середовищем, яке містить більш проникні зони – зони ведення гірничих робіт з підвищеною пористістю та проникністю, та менш проникні зони – цілики та зони, де гірничі роботи не проводилися. Концептуально таке середовище може моделюватися кількома підходами [5]: 1) як неоднорідне з різною гідравлічною проникністю, 2) як неоднорідне з «подвійною пористістю», 3) як сукупність двох середовищ – твердого й рідкого, причому рух води в останньому описується рівняннями гідромеханіки (Нав’є – Стокса). Перший підхід є, у певному розумінні, традиційним, він використовувався у ряді досліджень [6] і дозволяє використовувати програмне забезпечення, яке широко використовується при моделюванні течій підземних вод [7]. Основ- ним завданням при цьому є коректна параметризація чисельної моделі, зок- рема, визначення проникності та пористості різних частин області фільтрації. Використання схеми «подвійної пористості», в якій вся пористість поділя- ється на «швидку», яка займає невелику частину об’єму в області фільтрації, та «повільну», яка займає значну частину цього об’єму, є в цілому перспекти- вною. Але визначення критичного параметру моделі «подвійної пористості» – середнього розміру блоку, який суттєво впливає на результат, ще потребує теоретичного обґрунтування для порушеного породного масиву. Крім того, ємнісний параметр «подвійної пористості» більш важливий для перехідних процесів, тоді як експлуатація геотермальних модулів зазвичай здійснюється у стаціонарному режимі. Третій підхід з використанням фактично двох різних моделей, як правило, невиправдано ускладнює чисельний алгоритм розраху- нку для великої за простяганням області фільтрації з досить розгалуженою мережею виробок, хоча в масштабі окремих виробок можна отримати цікаві результати, особливо для кількох сполучених виробок, в яких циркулює ша- хтна вода. З урахуванням того, що описана раніше гідравлічна модель геотермальної системи [8] може бути застосовна для відносно простих гідрогеологічних та гірничотехнічних умов і доцільна тільки для попередніх оцінок її ефективно- сті, у цій роботі для моделювання течій підземних та шахтних вод буде вико- ристовуватися перший підхід, на основі якого буде представлена скінченно- різницева модель течії шахтних вод та теплоперенесення у підробленому ма- сиві гірських порід, що на прикладі конкретного шахтного поля дозволить враховувати складність реальних геолого-гідрогеологічних та гірничотехніч- них умов. Тривимірна течія підземних та шахтних вод через неоднорідне пористе се- редовище може бути описана рівнянням у частинних похідних [9] , (1) x y z s h h h h K K K W S x x y y z z t                               Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 85 де Kx, Ky та Kz – значення коефіцієнту фільтрації (гідравлічної проникності) уздовж осей координат x, y і z, які вважаються паралельним до основних осей гідравлічної провідності (поздовжньої та поперечної), м/добу; h – потенціо- метричний напір, м; W – об'ємний потік на одиницю об’єму, яким відтворю- ється вплив джерел (W > 0) та/або стоків (W < 0) води, добу–1; SS – питома ємність середовища, м–1; , де dVw – об’єм води, яка вивільняється або входить з об’єму Va водоносного горизонту при зміні напору в ньому на dh; t – час, діб. Як правило, коефіцієнти рівняння (1) та член W є функціями координат, іноді також і часу. На внутрішніх та зовнішніх межах області фільтрації у затопленій шахті, як правило, ставляться такі межові умови: а) змінний у часі та просторі напір на межі, зокрема, у шахтному стволі або у підземній галереї ; (2) б) перетік через бокові межі, наприклад, перетікання з сусідніх шахт або до них через з’єднувальні виробки ; (3) в) взаємозв’язок між підземними та поверхневими водами (наприклад, рі- кою) , (4) де  – фільтраційний опір, наприклад, донних відкладів, 1/м. Зони зміни проникності внаслідок наявності виробок відтворюються змін- ними коефіцієнтами фільтрації Kxx, Kyy та Kzz. Тривимірне рівняння переносу тепла в затопленому порушеному пород- ному масиві описується рівнянням (5) 1 w s a dV S V dh   , , ,H H x y z t   , , , H q x y z t n      H H H n          1 , w w x w w y w w z w w sk sk T T T C v T C v T C v T x x y y z z T q n C n C t                                           Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 86 де Т – температура води, С; vx, vy, vz – компоненти швидкості фільтрації, м/добу; n – пористість, б/р; w та sk – густина шахтної води та гірських порід, кг/м3; Cw та Csk – теплоємність шахтної води та гірських порід, Дж/(кгK); q – питоме надходження (вилучення) тепла за рахунок джерел (стоків) тепла, наприклад, відбору тепла водовідливом, скидання води у шахтний ствол чи інші виробки, Вт/м3; інші позначення аналогічні прийнятим раніше. На межах області фільтрації (шахтного поля) ставляться умови сталості те- мператури, яка за глибиною відповідає вертикальному розподілу, який визна- чено експериментально або розраховано. . (6) Вертикальні виробки (ствол, свердловини) в масштабі шахтного поля від- творюються в моделі як точкові в плані джерела – свердловини. Надходження тепла через кілька таких свердловин з координатами (xi, yi), дебітами Qi, та різницею температури відносно фонової температури в породному масиві Ti протягом періоду часу (0, t] визначається за співвідношенням . (7) Аналогічно визначається кількість тепла, яке відбирається свердловиною, що відбирає воду. В момент часу, що приймається за початковий (початок експлуатації гео- термальної системи або циркуляції теплоносія), в області фільтрації зада- ються напір і температура підземних та пов’язаних з ними шахтних вод. При цьому розподіл початкової температури на однаковій глибині за умови поді- бності літологічних різниць за висотою може бути прийнятий однорідним , (8) де Tr – розподіл температури гірських порід за глибиною z, C. Для верифікації математичної моделі теплоперенесення однією з важливих характеристик є баланс тепла в зоні впливу геотермальної системи на шахт- ному полі. За період часу [0, t] він визначається на основі рівності теплових потоків від внутрішніх джерел (стоків), втрат тепла через верхню межу обла- сті, геотермального потоку з глибини. Відповідно до методу скінченних різниць [9], диференційні рівняння (1) та (5) замінюється різницевими, які визначаються на множині дискретних точок у просторі та часі, а часткові похідні замінюються членами, обчисленими з різниці значень напору у цих точках. Процес призводить до системи алгебра- їчних різницевих рівнянь; їх рішення дає значення напору в певні моменти і час.  , ,T T x y z      0 0 t t i w w i iq d C Q T d           , , ,0 rT x y z T z Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 87 Скінченнорізницева апроксимація межових умов для рівнянь фільтрації та теплоперенесення виконується за рекомендаціями [9]. Для контролю похибки чисельного рішення розмір блоків в зонах активної циркуляції води та тепло- обміну рекомендується зменшувати. Розглянемо далі застосування чисельної моделі фільтрації та теплоперене- сення на прикладі потенційної ділянки для розміщення геотермальної сис- теми на полі закритої шахти № 2 «Новогродівська» з використанням фактич- них даних [10]. Обчислювальна реалізація математичної моделі виконана за допомогою програми ModFlow 2009 (Schlumberger W.S., Канада), призначе- ної для скінченнорізницевого рішення рівнянь фільтрації і перенесення у во- донасичених породах. Чисельна модель відтворює вплив нестаціонарних джерел і стоків води й тепла (водовідлив та скид термічно відпрацьованих вод), описує перехідні режими теплоперенесення зі змінною температурою води при закачуванні і відборі, неоднорідною структурою стосовно фільтра- ційних та ємнісних параметрів. Отримати відповідне аналітичне рішення та- кої задачі теплоперенесення не представляється можливим. Створена модель відображає область фільтрації та теплоперенесення з двома промисловими пластами, менш проникний шар між ними, а також по- крівлю пласта l1 і підошву пласта к8. Особливості геологічної будови даної ділянки були описані у [10]. Модель включає п’ять шарів з кутами падіння, які відповідають їх природному заляганню, область фільтрації має площу до 20 км2 (40005000 м) і вкрита блоками сітки розміром 100100 м. Потужності продуктивних товщ на моделі приймалися відповідно до залежності проник- ності підробленого породного масиву від кратності його підробки, і в серед- ньому дорівнюють 10 – 40 потужностям вугільного пласта. Для завдання зовнішніх меж області фільтрації та теплоперенесення вико- ристовувалися рекомендації [5], згідно яких тектонічне порушення (Новогро- дівський скид на півночі шахтного поля) є екраном на шляху руху підземних вод, тобто непроникної в гідродинамічному відношенні межі на ділянці скиду – співвідношення (3) при q = 0. На південному заході і південному сході, де вугільні пласти мають безпосередній гідравлічній зв'язок з обводненими па- леоген-неогеновими відкладами, задано граничні умови третього роду (4), які відображають взаємозв'язок величини витрати потоку підземних вод палео- ген-неогенового горизонту в продуктивну товщу з різницею гідродинамічних напорів в них. При цьому опір, якій обумовлює взаємозв'язок витрат і різниці напорів на виходах вугільних пластів, визначається за сумарною величиною провідності пластів і палеоген-неогенових відкладів, перерахованої відпо- відно до розмірів розрахункових блоків. У місцях перетоків підземних вод між шахтами ім. Д.С. Коротченка – № 2 «Новогродівська» і № 2 «Новогроді- вська» – № 1-3 «Новогродівська» задавалися граничні умови другого роду з витратами, які відповідають їхньому питомому значенню (табл. 1). Внутрішніми межами моделі течії підземних та шахтних вод на полі шахти № 2 «Новогродівська» є очисні і підготовчі виробки, які відображаються гра- ничними умовами першого роду з величиною гідродинамічного напору, що дорівнює абсолютній відмітці підошви вугільних пластів. Положення цих меж визначалося шляхом побудови плану гірничих виробок і перенесенням Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 88 контурів виїмкових дільниць на шари моделі. При моделюванні періоду після відключення водовідливу внутрішні граничні умови не задавалися. Таблиця 1. Розподіл значень питомих перетоків в зонах бар’єрних ціликів між шахтами Абс. відм. інтер- валу глибин, м Питомий перетік «ім. Коротченко» – № 2 «Новогродівська» № 2 «Новогродівська» – № 1-3 «Новогродівська» –300…–250 0,36 0,16 –250…–200 4,20 0,12 –200…–150 0,40 0,21 –150…–100 0,36 0,02 –100…–50 0,36 0,10 –50…0 0,26 0,15 0…+50 0,58 0,24 Розподіл температури шахтних вод перед початком експлуатації геотерма- льної системи задавався відповідно до геотермічного градієнту; на зовнішній межі області фільтрації – шахтного поля, яка знаходиться на значному відда- ленні від самої геотермальної системи, задається нульовий тепловий потік. На шахтному стволі – внутрішній межі задається умова другого роду з відомою витратою води та температурою, яка розраховується при моделюванні. Об’єм пустот в межах шахтного поля представлявся у вигляді суми трі- щино-порового й виробленого простору. Його зміна на моделі задавалася по- шарово на основі планів гірничих робіт в кожному горизонті відпрацювання відомою потужністю. Відповідно до прийнятої розрахункової схеми, шахт- ний ствол являв собою досконалу свердловину, в яку рухається потік вод з водоносних горизонтів, що змінюється у часі. При схематизації фільтрацій- них властивостей масиву гірських порід, згідно з результатами [10], значення коефіцієнта фільтрації вугільних пісковиків для інтервалу 0 – 200 м прийма- лося в діапазоні 0,1 – 0,3 м/добу, а для інтервалу від 200 м до 500 м – 0,01 – 0,05 м/добу. Виходячи з існуючих теоретичних уявлень [11] щодо гідравлічної проник- ності відпрацьованого породного масиву, величина пористості і коефіцієнта фільтрації в межах модельованих гірничих виробок задавалася збільшеною в середньому в 7 – 10 разів порівняно із зонами поза межами ведення гірничих робіт. Інфільтрація у верхньому шарі моделі задавалася за величиною 25% від середньорічної кількості атмосферних опадів в регіоні. Зони підвищеної інфі- льтрації (відстійники шахтних вод, ерозійні розчленування рельєфу) моделю- валися нерівномірним за площею інфільтраційним живленням. Ємнісні властивості товщі порід, що залягають вище верхньої межі ве- дення гірничих робіт (+120 м), визначалися пружноємністью водоносного го- ризонту кори вивітрювання карбону (10-3) і гравітаційної водовіддачею пале- оген-неогенових пісків (0,1). Середня величина ефективної пористості в інте- рвалі +120...+155 м (базис розвантаження підземних вод в долині р. Солоної) приймалася рівною 0,2. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 89 Кінематична в’язкість води в діапазоні температур 18 – 25°С, очікуваному при експлуатації геотермальної системи на шахті № 2 «Новогродівська», змі- нюється від 1,210-6 до 0,910-6 м2/с, що несуттєво впливає на коефіцієнт філь- трації. При цьому слід враховувати, що зміни температури підземних вод ха- рактерні для обмежених за площею ділянок. Тому, в першому наближенні до- пустимо приймати усереднений коефіцієнт фільтрації, який визначається при середньозваженій температурі пласта і підземних вод в зоні активного водо- і теплообміну. Для обґрунтування параметрів геотермальної системи та, зокрема, почат- кових умов моделі теплоперенесення, необхідно оцінити існуючий тепловий потенціал шахти № 2 «Новогродівська». В першому наближенні можна прийняти, що гідродинамічні параметри породного масиву не залежать від процесів теплоперенесення [12], а температура води і температура скелета по- рід співпадають, тобто теплообмін відбувається майже миттєво. Вважається, що в межах шахтного поля рух шахтних вод здійснюється по зонам завалення й затопленим виробкам, при цьому вісь z спрямована вниз. Стаціонарний розподіл температури гірських порід та підземних і шахтних вод в зоні активного водообміну можна визначити з диференціального рів- няння теплопровідності за вертикальною координатою z, яке з урахуванням конвекції має вигляд: , (9) за таких межових умов: Т = Т1 при z = Н1; (10) при z = Н2. (11) Тут Т1, Н1 – температура і глибина нейтрального шару, С та м; z – глибина залягання, м; a та λ – температуропровідність та теплопровідність водонаси- чених порід, м2/с та Вт/мС; vz – вертикальна швидкість фільтрації, м/с; – геотермальний потік, Вт/м2. Рішення рівняння (9) за умов (10), (11) має вигляд [12] . (12) Кількість тепла в шахтних водах, що містяться в затоплених виробках, ві- дносно температури Tmin, до якої воду можна охолодити в теплових насосах, визначається з виразу: 2 2 0zT v T z a z       T q z      q    2 1 2 1 , B z H B H H zq v T T e e B B a          Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 90 , (13) де q – кількість тепла, Дж; Сw, ρmw – питома теплоємність та щільність ша- хтних вод, Дж/кгС та кг/м3; T – температура шахтних вод, С; Vw – об’єм шахтних вод, м3. Формула (13) застосовується інтегрально для виробок, розташованих на рі- зних глибинах з урахуванням їх об’єму та температури води. Розрахована за формулами (9) – (13) температура (рис. 1) добре узгоджу- ється з даними виробничого геологорозвідувального підприємства «Артемів- ська гідрогеологічна партія», отриманими в ході вимірів температури на різ- них горизонтах. Отже, цей розрахований вертикальний розподіл температури може бути прийнятий як початкова умова при моделюванні теплоперене- сення. Кількість теплової енергії, акумульованої в шахтних водах оцінюється в 1300 ТДж. 3. РЕЗУЛЬТАТИ Розроблена тривимірна чисельна модель теплоперенесення була застосо- вана для прогнозного розрахунку гідродинамічного режиму та температури шахтних і підземних вод та гірських порід як основних базових показників термодинамічного стану відпрацьованого породного масиву на закритій ша- хті № 2 «Новогродівська», де доцільно встановлення геотермальної системи відкритого типу. Розрахунок цих параметрів дозволить визначити енергети- чну ефективність геотермальної системи у різних технологічних режимах в умовах даної шахти. Рисунок 1. Зміна температури і кількості теплоти шахтної води в затопле- ному масиві шахти № 2 «Новогродівська»: 1 – розрахунок, 2 – фактичні дані Параметри моделі були задані на основі зворотного моделювання, викона- ного раніше для періоду затоплення шахти у [13] і уточнені з виділенням ша- рів з різними параметрами (табл. 2). При цьому властивості порід в шарах 5 та 7 за межами ведення гірничих робіт схематизувалися подібно до непору- шених порід у шарах 4 та 6.  minw w wq C T T V   Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 91 Таблиця 2. Апроксимація температури в розрахункових шарах чисельної моделі шахти № 2 «Новогродівська» № шару Літологічний тип порід Діапазон абс. відм., м Середня темпера- тура по- рід, С 1 Водоносний горизонт четвертинних ео- лово-делювіальних супісків і суглинків +190…+205 10,1 2 Водотрив пліоцен-нижньочетвертинних червоно-бурих глин +185…+190 10,3 3 Водоносний горизонт палеоген-неоге- нових пісків +145 – +185 11,1 4 Непорушений водоносний комплекс се- редньокам'яновугільних відкладів, при- урочений до піщаників –20 – +145 13,9 5 Водоносний комплекс середньокам'яно- вугільних відкладів, порушений веден- ням гірничих робіт по пласту l1 –60 – –20 17,1 6 Непорушений водоносний комплекс се- редньокам'яновугільних відкладів приу- рочений до піщаників -220 – -60 20,0 7 Водоносний комплекс середньокам'яно- вугільних відкладів порушений веден- ням гірничих робіт по пласту к8 -260 – -220 23,2 8 Непорушений водоносний комплекс се- редньокам'яновугільних відкладів приу- рочений до піщаників -270 – -260 24,1 Пористість порушених порід у зонах ведення гірничих робіт задавалася шляхом додавання частки виробленого простору до об’єму цих зон, що фак- тично збільшило даний параметр у кілька разів порівняно з непорушеними породами. Проникність задавалася в діапазоні вирішення зворотних задач, а гідравлічний зв'язок між виробками на різних шарах через шахтний ствол за- давався підвищеною проникністю розділяючих шарів у блоках скінченноріз- ницевої дискретизації, в яких розташовано шахтний ствол з урахуванням їх площі відносно площі горизонтальної проекції блоків. Розподіл зон з різним коефіцієнтом фільтрації для двох шарів, які містять затоплені зони ведення гірничих робіт, а також відповідні значення пористості представлено на рис. 2. Середня температура в шарах задавалася відповідно до глибини та ге- отермального градієнта на шахті. Параметри теплообміну враховувалися згі- дно коефіцієнтів теплопровідності та теплоємності гірських порід та води. Для оцінки впливу інфільтрації на тривалий період цей параметр в моделі ва- ріювався в діапазоні, характерному для метеорологічних умов даного регіону (35 – 45 мм/рік), це дало можливість більш достовірно, з урахуванням неви- значеності даних щодо інфільтрації протягом тривалого періоду, визначати Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 92 діапазон зміни температури шахтних вод, що будуть відбиратися геотермаль- ним модулем протягом періоду її експлуатації. Рисунок 2 – Представлення неоднорідності відпрацьованого породного масиву шахти № 2 «Новогродівська» з геотермальною системою відкритого типу: а) скріншот значень коефіцієнту фільтрації, б) скріншот значень параметрів ємності; в) розподіл коефіцієнту фільтрації у зоні виробок пласта l1, г) розподіл коефіцієнту фільтрації у зоні виробок пласта k8 Надходження тепла з глибини моделювалося граничною умовою першого роду (сталою температурою порід та підземних вод, що контактують з ними) у гідравлічно слабопроникному шарі під нижньою затопленою зоною ведення гірничих робіт, відповідно до глибини та місцевого геотермального градієнта. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 93 Міграція солей при функціонуванні геотермальної системи не моделюва- лася через незначний градієнт солоності з глибиною та в цілому невисокий вміст солей у шахтних водах на даному об’єкті. Чисельне моделювання течії води та перенесення тепла проводилося для періоду експлуатації тривалістю 25 років, яке можна розпочинати при набли- женні рівня шахтних вод до позначки +185 м, вище якої підйом води може призвести до засолення верхнього водоносного горизонту та підтоплення те- риторій. В результаті моделювання були визначені такі показники:  рівень шахтних та пов’язаних з ним підземних вод і водний баланс у всіх водоносних шарах у вигляді карт;  неоднорідний розподіл температури води і гірських порід у вигляді карт, який розраховувався за припущення про умовно миттєве вирівнювання температури при теплообміні між рідкою та твердою фазами в елементарному об’єму;  часові ряди рівня води та температури у контрольних точках, роз- ташованих насамперед у проникних шарах біля шахтного ствола, з якого від- бирається вода;  показники теплової потужності геотермального модуля у різні мо- менти часу в умовах гідравлічного зв’язку між водоносними горизонтами. Оскільки чисельний алгоритм розрахунку фільтрації у використаній про- грамі Modflow не включає визначення параметрів течії у шахтному стволі, куди припливає вода з різних горизонтів, температуру води, що відбирається і подається наверх для термічного використання та з метою дренування, роз- раховувалася за формулою змішування. Для підтримання рівня води витрата відбору з шахтного ствола корегува- лася відповідно до значень інфільтрації w з урахуванням оцінок, отриманих у розділі 3.3: 1950 м3/добу для w = 35 мм/рік, та 2500 м3/добу для w = 45 мм/рік. За прийнятим сценарієм моделювання, функціонування геотермальної сис- теми, тобто водовідбір з подальшим термічним використанням шахтної води починається при наближенні рівня води до рівня +185 м у горизонті палеоген- неогенових пісків (шар 3 у табл. 2). Розрахунки виконано на період функціо- нування системи 25 років, який приймається для геотехнічних систем, напри- клад, водозаборів при оцінюванні запасів підземних вод [14]. Збіжність чисельної моделі стосовно водного балансу досить висока: у всіх розрахункових шарах моделі (табл. 2) різниця між складовими припливу води та її витрати не перевищує 0,1%, що є достатнім для практичних цілей, зва- жаючи на варіацію фільтраційних та ємнісних параметрів у розрахункових шарах до 3 порядків. Таким чином, запропонована модель шахти № 2 «Ново- гродівська» з достатньою детальністю враховує особливості геологічної бу- дови і відтворює зміни гідродинамічного режиму як відповідні реакції на те- хногенне втручання. Результати моделювання наведені на рис. 3 – 6 і у табл. 3 – 5. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 94 Рисунок 3. Прогнозний рівень шахтних та підземних вод та температура на момент 5 років з початку експлуатації: а) у шарі 4, б) у шарі 5, в) у шарі 6, г) у шарі 7 (див. табл. 2). Сині лінії – п’єзометричний напір, м, червоні лінії – температура, С. Інфільтрація 35 мм/рік 4. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ Завдяки дренуючому ефекту водовідбору з шахтного ствола у всіх водоно- сних шарах формується зона пониження зі значеннями напору нижче позна- чки +185 м (рис. 3, 4), за виключенням певного перевищення цього рівня у частині горизонту палеоген-неогенових пісків над вуглевмісними породами (рис. 5). Але навіть там максимальний рівень не перевищує позначку +187 м, тобто не досягає підошви верхнього водоносного горизонту (+190 м) і стабі- лізується з часом (рис. 6). Завдяки цьому можна попереджувати подальший Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 95 підйом рівня води, потрапляння більш мінералізованої шахтної води до верх- нього горизонту (розрахункового шару 1), тобто досягти екологічно прийня- тного режиму функціонування геотермальної системи з підтримкою безпеч- ного рівня води і ізоляцією шахтних вод від джерел водопостачання для на- селення. Рисунок 4. Прогнозний рівень шахтних та підземних вод та температура на кінець періоду експлуатації (25 років): а) у шарі 6, б) у шарі 7 (див. табл. 2). Сині лінії – п’єзометричний напір, м, червоні лінії – температура, С. Інфільтрація 35 мм/рік Рисунок 5. Прогнозний рівень підземних вод та температура у горизонті палео- ген-неогенових пісків (шар 3, табл. 2): а) через 5 років з початку експлуатації, б) на кінець періоду експлуатації (25 років). Інфільтрація 35 мм/рік Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 96 Рисунок 6. Рівень води у контрольних точках на території шахтного поля протягом періоду експлуатації геотермальної системи за різних значень інфі- льтрації w: 1) в точці «1о» біля шахтного ствола, 2) на межі шахтного поля у напрямку м. Новогродівка (точка «2о» на рис. 3 – 5) Таблиця 3. Прогнозні припливи Q до шахтного ствола з проникних шарів та температура води T при інфільтрації 35 мм/рік Номер шару, з якого припливає вода або шахтний ствол Момент часу t = 1 рік Момент часу t = 5 років Момент часу t = 25 років Q, м3/добу T, С Q, м3/добу T, С Q, м3/добу T, С 3 166,2 10,99 200,1 10,97 217,8 10,86 5 314,4 16,97 297,2 16,85 287,7 15,91 7 1469,4 22,84 1452,7 22,46 1444,5 20,94 Шахтний ствол 1950 20,88 1950 20,43 1950 19,07 * див. табл. 2. Таблиця 4. Прогнозні припливи Q до шахтного ствола з проникних шарів та температура води T при інфільтрації 45 мм/рік Номер шару, з якого припливає вода або шахтний ствол Момент часу t = 1 рік Момент часу t = 5 років Момент часу t = 25 років Q, м3/добу T, С Q, м3/добу T, С Q, м3/добу T, С 3 223,3 10,99 255,4 10,97 474,9 10,84 5 397,6 16,96 381,7 16,79 371,4 15,65 7 1879,1 22,80 1862,9 22,34 1653,7 20,55 Шахтний ствол 2500 20,82 2500 20,33 2500 17,98 див. табл. 2. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 97 Таблиця 5. Прогнозна максимальна теплова потужність геотермальної системи, кВт, для різних моментів часу протягом періоду її експлуатації Інфільтрація, мм/рік Момент часу t = 1 рік Момент часу t = 5 років Момент часу t = 25 років 35 1393,8 1351,1 1224,6 45 1779,1 1720,9 1438,6 При цьому значення гідравлічного градієнту у зоні виробок (рис. 4, б) у ро- зрахункових шарах 5 та 7 (табл. 2) суттєво менші, а зона дренування охоплює значну площу за рахунок більшої проникності порід. Наявність зони пониже- ного напору в затопленій шахті дозволяє контролювати рівень води у верхніх водоносних шарах. Рівень води біля шахтного ствола буде знаходитися біля позначки +185 м. За межами зон з підземними виробками (шахтного поля) можливе формування зони з перевищенням рівнем води позначки +185 м (рис. 5, б), але максимальний рівень води не досягне підошви верхнього во- доносного горизонту +190 м. Вплив збільшення багаторічної інфільтрації w на рівневий режим у надвугільному горизонті (шарі 3) в діапазоні 35 – 45 мм/рік не є суттєвим: зміна рівня води при зміні w у цьому інтервалі не перевищить 0,7 м, у середньому протягом 25 років становитиме 0,13 м біля шахтного ствола та 0,31 м у контрольній точці «2о» на межі шахтного поля. Горизонтальні припливи до шахтного стволу зі слабопроникних розрахун- кових шарів 4 та 6 практично несуттєві, з них відбувається переважно верти- кальне перетікання до нижніх шарів 5 та 7. Тому приплив до шахтного ствола розраховувався як сума припливів з двох проникних шарів 5 та 7, що містять виробки, та шару 3, що відповідає горизонту палеоген-неогенових пісків (табл. 3, 4). За розрахунками очікується певне зниження температури шахтних та під- земних вод на різних глибинах протягом періоду експлуатації геотермальної системи за рахунок заміщення відкачуваних теплих вод більш холодними, що припливають зверху з інфільтраційним живленням. Збільшення припливу зверху, яке моделюється збільшенням значень багаторічної інфільтрації від 35 мм/рік до 45 мм/рік сприяє більш швидкому заміщенню теплих вод холо- дними (табл. 3, 4): температура у контрольних точках біля шахтного ствола у нижньому проникному горизонті відпрацювання (шарі 7 моделі) знизиться на 2,06С та 2,45С, а у верхньому проникному горизонті відпрацювання (шарі 5 моделі) – на 1,1С та 1,34С відповідно. Розрахований температурний діа- пазон добре корелює з температурою 16 – 17С води, що термічно викорис- товується на шахті «Благодатна» в подібних геолого-гідрогеологічних умовах [15], що свідчить про відповідність результатів моделювання умовам реаль- ного об’єкта. Більш активне заміщення теплих шахтних вод холоднішими водами зверху може вплинути на зменшення теплової потужності геотермальної системи qGTS (табл. 5). При величині відбору Q = 1950 м3/добу, що відповідає меншій інфільтрації (w = 35 мм/рік) qGTS зменшиться на 3% відносно показника на 1 рік з початку експлуатації через 4 роки і на 9% – на кінець періоду експлуата- Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 98 ції. При величині відбору Q = 2500 м3/добу, що відповідає більшій інфільтра- ції (w = 45 мм/рік) зменшення qGTS становитиме 3% та 16% відповідно. Більші темпи охолодження при w = 45 мм/рік пов’язані зі зростанням з часом у вод- ному балансі частки холоднішої води, що припливає зверху з шару 3. Зауважимо, що кількість тепла, яке надходить з глибинним геотермальним потоком в затоплені виробки, які займають фактично площу до 10 км2 при середній густині теплового потоку 0,05 Вт/м2, можна оцінити у 0,5 МВт, що в 2-3 рази менше кількості тепла, що відбирається з теплою водою (табл. 5). Цей дисбаланс тепла узгоджується з результатами моделювання щодо посту- пового охолодження води та зниження теплової потужності. При цьому йде- ться про максимально можливу теплову потужність геотермальної системи, тому її зменшення на 10-15% протягом досить тривалого періоду не є крити- чним для сталого теплозабезпечення. Загальмувати охолодження можливо шляхом відбору шахтних вод з різної глибини, які матимуть різну темпера- туру. Це потребує деталізації фільтраційної схеми геотермальної системи (по- ложення точок відбору води, виробок, схем циркуляції, фільтраційних, ємні- сних, та теплофізичних параметрів тощо), що планується зробити на наступ- ному етапі виконання проекту. Таким чином, розроблена чисельна тривимірна модель з достатньою дета- льністю відтворює просторову неоднорідність фільтраційних та ємнісних па- раметрів відпрацьованого масиву в зоні можливого розміщення геотермаль- ної системи відкритого типу для умов шахти № 2 «Новогродівська». За ре- зультатами моделювання визначено діапазон температури придатних для те- рмічного використання шахтних вод, що відбираються водовідливом, який підтримає безпечний рівень води з попередженням підтоплення та засолення верхнього водоносного горизонту. Встановлено, що заміщення теплих шахт- них вод більш холодними водами зверху призведе до поступового зниження температури на 1,75 – 2,84С залежно від глибини відбору та величини інфі- льтраційного живлення. Відповідне зменшення максимальної теплової поту- жності до 3% протягом перших 5 років експлуатації геотермальної системи та до 9 – 16% протягом періоду експлуатації формується за рахунок перева- жання кількості тепла, що відбирається, над припливом геотермального те- пла, але не є критичним для експлуатації геотермальної системи. 5. ВИСНОВКИ Для оцінки показників роботи геотермальної системи відкритого типу ро- зроблена математична модель, заснована на чисельному моделюванні течії підземних і шахтних вод та переносу тепла у порушеному масиві у зоні впливу системи. Такий підхід є доцільним для детального кількісного аналізу та прогнозу термодинамічного стану породного масиву за різних технологіч- них та природних умов. Розроблена чисельна тривимірна модель теплоперенесення, яка з достат- ньою детальністю відтворює просторову неоднорідність породного масиву та течії підземних вод і температурних полів навколо геотермальної системи, була протестована для умов шахти № 2 «Новогродівська». Оцінений діапазон температури шахтних вод, що відбираються водовідливом з підтриманням Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 99 безпечного рівня води для попередження підтоплення й засолення верхнього водоносного горизонту, становить 18 – 21С, що в цілому узгоджується з по- казниками геотермальної системи на шахті «Благодатна» на території Захід- ного Донбасу. Заміщення теплих шахтних вод більш холодними водами інфі- льтраційного живлення, за даними моделювання, призведе до поступового зниження температури на 1,7 – 2,8С, а відповідне зменшення максимальної теплової потужності становитиме до 3% протягом перших 5 років експлуата- ції та до 9 – 16% протягом усього періоду експлуатації системи. Це відбува- ється внаслідок переважання кількості теплової енергії, яка відбирається, над припливом геотермального тепла з глибини земних надр. За результатами проведених розрахунків в гірничо-геологічних умовах за- критих шахт Донбасу показано, що розроблена математична модель теплопе- ренесення у геотермальних системах відкритого типу з використанням тепла шахтних вод дозволяє обґрунтовано визначати параметри енергоефективно- сті відбору тепла, оцінювати зміни теплового стану породного масиву і шах- тних вод за різних умов експлуатації систем, а також встановлювати безпечні діапазони рівня шахтних вод, що забезпечать захист прилеглих територій від підтоплення і достатню ізоляцію мінералізованих вод від джерел водопоста- чання для населення. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Ковалко М.П., Денисюк С.П. (2005). Енергозбереження – пріоритетний напрямок державної політики України. К.: УЕЗ, 506 с. 2. Inkin, O., Rudakov, D. (2019). An assessment of technical and economic feasibility to install geothermal well systems across Ukraine. Geotherm Energy 7:17. https://doi.org/10.1186/s40517-019-0134-7 3. Bao, T., Liu, Z. (2019). Geothermal Energy from Flooded Mines: Modeling of Transient Energy Recovery with Thermohaline Stratification. Energy Conversion and Management 199, 111956 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111956 4. Walls, D.B., Banks, D., Boyce, A.J., Burnside, N.M. (2021). A review of the performance of minewater heating and cooling systems. Energies, 14, 6215. https://doi.org/10.3390/en14196215 5. Рудаков Д.В., Садовенко І.О. (2006). Прогнозування гідродинамічного режиму при відпрацьовуванні й затопленні шахтного поля. Вісник ЖДТУ, (1), 151-157. 6. Malolepszy, Z. (1998). Modelling of geothermal resources within abandoned coal mines, Upper Silesia, Poland. Report nr. 8. The United Nations University, Reykjavik, 217- 238. 7. Diersch H.-J. (2014). FEFLOW. Finite Element Modeling of Flow, Mass and Heat Transport in Porous and Fractured Media. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 996 p. https://doi.10.1007/978-3-642-38739-5 8. Rudakov, D., Inkin, O. (2022). A method to evaluate the performance of an open loop geothermal system for mine water heat recovery. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 5-11. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-1/005 9. Langevin Ch. D., Hughes J. D., Banta E. R., Niswonger R. G., Panday S., Provost A. M. (2017). Documentation for the MODFLOW 6 Groundwater Flow Model. Chapter 55 of Section A, Groundwater Book 6, Modeling Techniques. U.S.G.S., https://doi.org/10.3133/tm6A55 Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 100 10. Краснопольский Н.А. (2006). Заключение о результатах работы «Прогноз изменения эколого-гидрогеологических условий в границах горных отводов шахты №2 «Новогродовская», которая ликвидируется, ликвидированной шахты «Селидов- ская» и шахты им. Д.С. Коротченко, которая подлежит ликвидации, а также смежных с ними действующих шахт: отчет о НИР. Артемовск : Артемовская гидрогеологиче- ская партия, 130 с. 11. Садовенко И.А., Рудаков Д.В. (2010). Динамика фильтрационного массопере- носа при ведении и свертывании горных работ. Д.: Нац. горный ун-т, 216 с. 12. Лялько В.И. (1974). Методы расчета тепло- и массопереноса в земной коре. Алгоритмы и программы. К.: Наукова думка, 131 с. 13. Садовенко І.О., Інкін О.В. (2016). Теоретичні та геотехнологічні основи роз- робки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ. Mining of Mineral Deposits, (Vol. 10), Issue 4, 1-10. 14. Костюченко М.М., Шабатин В.С. (2005). Гідрогеологія та інженерна геологія. К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 144 с. 15. Пивняк Г.Г., Самуся В.И., Оксень Ю.И. (2017). Теория и практика теплонасо- сной утилизации теплоты шахтной воды. Уголь Украины, 6-10. REFERENCES 1. Kovalko M.P., Denysjuk S.P. (2005). Energozberezhennja – priorytetnyj naprjamok derzhavnoi' polityky Ukrai'ny. K.: UEZ, 506 s. 2. Inkin, O., Rudakov, D. (2019). An assessment of technical and economic feasibility to install geothermal well systems across Ukraine. Geotherm Energy 7:17. https://doi.org/10.1186/s40517-019-0134-7 3. Bao, T., Liu, Z. (2019). Geothermal Energy from Flooded Mines: Modeling of Transient Energy Recovery with Thermohaline Stratification. Energy Conversion and Management 199, 111956 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111956 4. Walls, D.B., Banks, D., Boyce, A.J., Burnside, N.M. (2021). A review of the performance of minewater heating and cooling systems. Energies, 14, 6215. https://doi.org/10.3390/en14196215 5. Rudakov D.V., Sadovenko I.O. (2006). Prognozuvannja gidrodynamichnogo rezhymu pry vidprac'ovu-vanni j zatoplenni shahtnogo polja. Visnyk ZhDTU, (1), 151-157. 6. Malolepszy, Z. (1998). Modelling of geothermal resources within abandoned coal mines, Upper Silesia, Poland. Report nr. 8. The United Nations University, Reykjavik, 217- 238. 7. Diersch H.-J. (2014). FEFLOW. Finite Element Modeling of Flow, Mass and Heat Transport in Porous and Fractured Media. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 996 p. https://doi.10.1007/978-3-642-38739-5 8. Rudakov, D., Inkin, O. (2022). A method to evaluate the performance of an open loop geothermal system for mine water heat recovery. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 5-11. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-1/005 9. Langevin Ch. D., Hughes J. D., Banta E. R., Niswonger R. G., Panday S., Provost A. M. (2017). Documentation for the MODFLOW 6 Groundwater Flow Model. Chapter 55 of Section A, Groundwater Book 6, Modeling Techniques. U.S.G.S., https://doi.org/10.3133/tm6A55 10. Krasnopol'skij N.A. (2006). Zakljuchenie o rezul'tatah raboty «Prognoz izmenenija jekologo-gidrogeologicheskih uslovij v granicah gornyh otvodov shahty №2 «Novogrodovskaja», kotoraja lik-vidiruetsja, likvidirovannoj shahty «Selidovskaja» i shahty im. D.S. Korotchenko, kotoraja podle-zhit likvidacii, a takzhe smezhnyh s nimi Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 101 dejstvujushhih shaht: otchet o NIR. Artemovsk : Artemovs-kaja gidrogeologicheskaja partija, 130 s. 11. Sadovenko I.A., Rudakov D.V. (2010). Dinamika fil'tracionnogo massoperenosa pri vedenii i svertyvanii gornyh rabot. D.: Nac. gornyj un-t, 216 s. 12. Ljal'ko V.I. (1974). Metody rascheta teplo- i massoperenosa v zemnoj kore. Algoritmy i programmy. K.: Naukova dumka, 131 s. 13. Sadovenko I.O., Inkin O.V. (2016). Teoretychni ta geotehnologichni osnovy rozrobky pryrodno-tehnogennyh resursiv vugil'nyh rodovyshh. Mining of Mineral Deposits, (Vol. 10), Issue 4, 1-10. 14. Kostjuchenko M.M., Shabatyn V.S. (2005). Gidrogeologija ta inzhenerna geologija. K.: Vydavnycho-poligrafichnyj centr «Kyi'vs'kyj universytet», 144 s. 15. Pivnjak G.G., Samusja V.I., Oksen' Ju.I. (2017). Teorija i praktika teplonasosnoj utilizacii teploty shahtnoj vody. Ugol' Ukrainy, 6-10. ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Метою даної роботи є розробка і верифікація чисельної моделі течії шах- тних вод та переносу тепла у порушеному гірському масиві в зоні впливу ге- отермальної системи відкритого типу з прогнозом показників їх енергоефек- тивності відповідно до існуючих геолого-гідрогеологічних умов та техноген- ної порушеності відпрацьованого масиву. Методика базується на використанні скінченнорізницевою моделі триви- мірною течії шахтних вод та теплоперенесення через неоднорідне пористе се- редовище. Обчислювальна реалізація моделі виконана за допомогою про- грами ModFlow, призначеної для рішення рівнянь фільтрації і перенесення у водонасичених породах. Результати. Для умов шахти № 2 «Новогродівська» визначено діапазон температури шахтних вод, що пропонується відбирати за умови підтримання безпечного рівня води для попередження підтоплення й засолення верхнього водоносного горизонту протягом 25 років можливої експлуатації; оцінений діапазон 18 – 21С в цілому узгоджується з показниками геотермальної сис- теми на шахті «Благодатна» у Західному Донбасі. Показано, що очікується незначне охолодження шахтних вод внаслідок переважання відбору тепла над припливом геотермального тепла знизу за механізмом заміщення теплих ша- хтних вод більш холодними інфільтраційними водами. Наукова новизна. Розроблена чисельна тривимірна модель тепло перене- сення, яка відтворює просторову неоднорідність руху підземних вод і темпе- ратурних полів навколо геотермальної системи в затопленій шахті та еволю- цію температурного поля при різній інтенсивності інфільтраційного жив- лення. Практична значимість. Запропонована модель теплоперенесення у гео- термальних системах дозволяє визначати і оптимізувати параметри їх роботи за критеріями енергоефективності, оцінювати зміни теплового стану пород- ного масиву і шахтних вод за різних умов експлуатації систем при підтриму- ванні безпечного рівня шахтних вод. Ключові слова: закрита шахта, геотермальні системи, шахтні води, філь- трація, теплоперенесення, моделювання Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2022, вип. 24 102 ABOUT AUTHORS Rudakov Dmytro, Doctor of Technical Science, Professor of Department of Hydrogeology and Engineering geology Dnipro University of Technology, 19 Dmytra Yavornytskoho Avenue, Dnipro, Ukraine, 49005. Inkin Oleksandr, Doctor of Technical Science, Professor of Department of Hydrogeology and Engineering geology Dnipro University of Technology, 19 Dmytra Yavornytskoho Avenue, Dnipro, Ukraine, 49005. Branch for Physics of Mining Processes in the M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine, 15 Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mail: inkin@ua.fm

Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт

Institution

Ähnliche Einträge