2835.Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПОЛОВОДОВСКОГО УЧАСТКА ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ

И.С. Филимоновых

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент И.Л. Паньков Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Отработаны методики исследования теплофизических показателей горных пород. Определены удельные коэффициенты теплоемкости и теплопровдности горных пород надсолевой толщи Половодовского участка Верхнекамского месторождения калийных солей.

Ключевые слова: образец горной породы, теплофизические свойства, теплопроводность, теплоемкость.

Устойчивый спрос на калийные удобрения приводит к вовлечению в эксплуатацию новых участков Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). В настоящее время планируется строительство нового рудника для отработки полезных ископаемых Половодовского участка. Строительство стволов рудников в условиях ВКМКС подразумевает применение технологии замораживания с целью образования вокруг будущего контура стволов ледопородного ограждения, воспринимающего на себя давление окружающих незамороженных пород и препятствующего притоку воды в выработку при ее проходке. При этом первоочередной является информация о теплофизическихсвойствах(теплоемкостьитеплопроводность) слагаемыхгорныхпород.

Эксперименты по определению теплофизических свойств проводились на образцах, изготовленных из керна контрольно-стволовых скважин № 1 и № 2 Половодовского участка.

Для определения теплоемкости горных пород использовался метод остывания [1, 2], заключавшийся в сопоставлении скорости остывания предварительно нагретого образца горной породы, имеющего форму плоскопараллельного диска диаметром 100 мм и толщиной 30 мм, со скоростью остывания медного эталонного образца такого же размера (удельная теплоемкость – 0,385 кДж/кг·К).

Подготовка образцов к эксперименту заключалась в установке термодатчиков, показания с которых выводились на многоканальный измеритель температуры «ТЕРМОДАТ-11М5». Подготовленные образцы и эталон помещались в сушильный шкаф, в котором выдерживались при температуре 60 °С до их полного прогрева. Далее производилось их извлечение из сушильного шкафа с установкой на теплоизоляционные подставки, где они остывали до комнатной температуры. Измерение температуры остывания проводилось через каждые 5 мин. Согласно методике удельная теплоемкость породы определялась из выражения

431

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

где сп, сэт – удельная теплоемкость образца горной породы и эталона; mп, mэт –

образца горной породы и эталона.

Эксперименты по определению коэффициента теплопроводности проводились на тех же образцах горных пород по методике, изложенной в ГОСТе [3].

В качестве нагревателя использовалась нагревательная плита с функцией поддержания заданной температуры. В качестве эталона использовалось кварцевое стекло марки КВ толщиной 20 мм (удельная теплопроводность – 1,38 Вт/м·К). Сверху эталона устанавливался массивный медный теплоотводящий цилиндр. Между рабочей поверхностью плиты, образцом, эталоном и калориметром помещались термодатчики, вмонтированные в тонкие теплопроводящие медные диски. В целях создания равномерного теплового потока, для улучшения теплового контакта между всеми контактирующими поверхностями помещался тонкий слой теплопроводящей смазки. Для предотвращения утечек тепла боковые грани образца и эталона обкладывались теплоизоляционным материалом. Фиксация температуры термодатчиков проводилась через 90–120 мин после начала эксперимента (приблизительное время стабилизации процесса). Температура плитки составляла 60 °С.

Согласно методике коэффициент теплопроводности образца вычислялся по формуле

где λэ – теплопроводность эталона, Вт/м·К; hп и hэ – толщина исследуемого образца и эталона, мм; ∆То и ∆Тэ – перепады температур внутри образца и эталона, К.

Результаты исследования теплофизических свойств образцов горных пород приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Результаты определения коэффициентов удельной теплопроводности и теплоемкости пород надсолевой толщи скважины КСС-1

432

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

Окончание табл. 1

Таблица 2

Результаты определения коэффициентов удельной теплопроводности и теплоемкости пород надсолевой толщи скважины КСС-2

433

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Полученные результаты предполагается использовать при обосновании параметров технологии проходки ствола проектируемого рудника Половодовского участка ВКМКС.

Список литературы

1.Савельев И.В. Курс общей физики: в 3 т. – М.: Наука, 1982. – Т. 1.

2.Сивухин Д.В. Общий курс физики: Молекулярная физика и термодинами-

ка. – М.: Наука, 1981. – Т. 2.

3.ГОСТ 25499–82. Породы горные. Метод определения коэффициента теплопроводности. – М.: Изд-во стандартов, 1983.

434

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ЗЕМЛИ ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МНОГОСТВОЛЬНОГО БУРЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ КОРПУСА № 6 ТПУ)

Е.О. Цехмейструк, Б.Г. Гранин

Научный руководитель – доцент В.С. Купреков Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Рассмотрена возможность использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли для теплоснабжения зданий с применением многоствольного бурения. В частности, возможность применения данного метода на примере корпуса № 6 ТПУ.

Ключевые слова: низкопотенциальная тепловая энергия Земли, многоствольное бурение, системы теплосбора.

Недра Земли обладают колоссальными запасами теплоты, которые можно

инужно использовать с целью теплофикации зданий и сооружений. Низкопотенциальное тепло Земли является ископаемым топливом, выступающим в роли альтернативного источника энергии, при использовании которого атмосфера не загрязняется продуктами горения. Так почему бы не воспользоваться энергией, как сказал В.А. Обручев, находящейся в буквальном смысле слова под ногами?

Томская область входит в число крупных областей с теплоэнергетической мощностью подземных вод, достигающей 80–120 млн Гкал [1].

Грунт, находящийся в поверхностных слоях Земли, представляет определенного рода тепловой аккумулятор солнечной энергии неограниченной емкости. Если детально рассмотреть тепловой режим поверхностных слоев грунта Земли, то можно установить, что его формирование происходит под действием двух основных составляющих – солнечная радиация и поток радиогенного тепла из недр Земли. Верхние слои грунта подвергаются сезонным и суточным изменениям температуры за счет изменения температуры наружного воздуха. В различных районах России глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации колеблется от нескольких десятков сантиметров до первых десятков метров (15–20 м) (рис. 1) [2]. Слои грунта, расположенные ниже этой глубины, имеют свой температурный режим, который формируется под воздействием тепловой энергии недр Земли

ине зависит от суточных и сезонных колебаний. Величина радиогенного теплового потока различна для разных местностей и колеблется в пределах от 0,05 до

0,12 Вт/м2 [1].

Градиент изменения температуры грунта на глубине зависит от конкретных почвенно-климатических условий и для Томской области составляет 3,6° на 100 м. В таблице представлены данные изменения температуры по Томской области в поверхностном слое в зависимости от времени года и глубины по вертикали, которые еще раз подтверждают эти изменения.

435

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Рис. 1. Изменение температуры с глубиной

Изменение температуры с глубиной в зависимости от времени года

Глубина по вертикали, м

Для извлечения и использования низкопотенциальной тепловой энергии из недр Земли применяются различные схемы, которые делятся на два основных класса – закрытые (герметичные) и открытые системы теплосбора. В данном случае представляют интерес закрытые системы теплосбора, которые, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные. Преимущества горизонтальных систем сбора тепла в том, что они устанавливаются на незначительной глубине. Так, в Томской области глубина установки горизонтального контура начинается с 1,5 до 1,8 м, что выше глубины промерзания (2,2–2,5 м). Горизонтальные системы имеют несколько существенных недостатков: большая площадь для установки системы теплосбора (теплообменника) и достаточное освещение (на участке расположения теплового контура нельзя возводить капитальные постройки). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками устанавливаются ниже уровня зоны воздействия солнечной радиации и имеют следующие преимущества:

1)не требуют участка большой площади;

2)не зависят от интенсивности солнечной радиации и времени года;

3)тепловая мощность ограничивается лишь общей глубиной скважин и характеристиками оборудования.

Для обустройства вертикального теплообменника необходимо пробурить несколько скважин расчетной глубины, как правило, от 40 до 100 м, и спустить геотермальный зонд [3]. Геотермальный зонд состоит из труб, обычно полиэтиленовых диаметром 30 или 40 мм. На сегодняшний день существует две разновидности вертикального теплообменника: U-образный и коаксиальный теплообменник.

436

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

U-образный зонд – теплообменник, представляющий собой две полипропиленовых (полиэтиленовых) трубы, соединенных в нижней части U-м наконечником. В зависимости от тепловых характеристик теплоносителя в одной скважине располагается одна или две пары таких труб.

Коаксиальный зонд – теплообменник, состоящий из труб различного диаметра. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра, находящиеся одна в другой.

С точки зрения целесообразности применения данного метода теплофикации зданий в условиях плотной застройки города следует рассмотреть возможность съема низкопотенциальной тепловой энергии Земли с применением многоствольного бурения. Зачастую в таких условиях проблематично найти необходимый участок земли, свободный от скрытых коммуникаций и пригодный для работы буровых установок, для сооружения вертикальных скважин с целью съема необходимого количества низкопотенциального тепла.

Требуемая мощность теплового насоса зависит от качества и теплотехнических характеристик здания и его объема. Под качеством понимается его способность сохранять и не выпускать тепло наружу. Для оценки состояния теплового контура учебного корпуса № 6 ТПУ были привлечены специалисты компании

ООО «Экоклимат», которые произвели тепловизионное обследование корпуса с использованием тепловизионной камеры Testo 875-2. В результате проведенных работ обнаружены неоднородности в области фундамента по всему периметру, в которых температура поверхности достигает –13 °C (при tвозд на улице –21 °C), что говорит о недостаточно высоких термических характеристиках ограждающих конструкций в этих зонах. Часть окон здания выполнены с применением деревянных переплетов, некоторые окна были заменены на стеклопакеты с пластиковым переплетом. Как видно из рис. 2, окна как с деревянными, так и с пластиковыми переплетами имеют невысокие теплоизоляционные показатели. Все выявленные дефекты приводят к ухудшению микроклимата внутри здания и перерасходу тепловой энергии на обогрев, вследствие увеличения общих тепловых потерь здания, которые составляют 111 940 Вт.

Рис. 2. Примеры проблемных зон: фундамент и окна

437

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Для снижения тепловых потерь рекомендуется устранить дефекты ограждающих конструкций, а именно – выполнить утепление отмостки здания по всему периметру, заменить пластиковые и деревянные окна на более качественные окна с коэффициентом сопротивления теплопередаче не ниже 0,65.

Результаты расчета теплопотерь по корпусу показывают, что на 1 м2 отапливаемой площади здания необходимо от 1,2 до 2,4 метра погонной длины скважины (без учета нагрузки на ГВС) в зависимости от пород, залегающих под зданием, а также наличия водоносных горизонтов. Исходя из этого для учебного корпуса № 6 ТПУ общей площадью 945 м2 необходимо иметь общую протяженность скважин для спуска геотермального зонда 1700 метров погонной длины для его теплофикации.

Многоствольное бурение обеспечивает значительную экономию площади по сравнению с бурением большого числа отдельных вертикальных скважин. При этом бурится основной вертикальный ствол до проектной глубины. Далее из этого ствола бурятся боковые стволы требуемой длины со сверхмалым радиусом кривизны. Взаимовлияние стволов исключается разведением последних по азимуту и глубине (рис. 3). В результате будет получено необходимое число метров погонной длины для теплофикации здания. Преимущества данной технологии при теплофикации зданий следующие:

♦снижается общее количество скважин;

♦множественные стволы позволяют получить больше тепловой энергии по сравнению с вертикальными скважинами, у которых первые 15–20 м подвержены изменениям температуры окружающей среды и солнечной радиации, соответственно, возможное количество тепла варьируется.

Рис. 3. Схема многоствольного бурения

В качестве теплового источника выбрано четыре тепловых насоса марки Danfoss DHP-R35 с тепловой мощностью 35 кВт каждый, при установке которых в каскад суммарная тепловая мощность составит 140 кВт.

438

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что использование низкопотенциальной тепловой энергии Земли для теплоснабжения зданий с применением многоствольного бурения является новой технологией, которая существенно снижает требуемые площади при обустройстве и расширяет возможности использования геотермального тепла Земли.

Список литературы

1.Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 255 с.

2.Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. – М.:

Граница, 2006. – 176 с.

3.Бурение скважин для водоснабжения производства, бурение промышленных скважин [Электронный ресурс] / Компания «Союз Проект». – URL:

http://soyuzproekt.ru/zemlyanoy_zond.php (дата обращения: 31.02.14).

4.Тепловые насосы, отопление для дома [Электронный ресурс] / Компания

«Гео-Тепло». – URL: http://drillwell.ru (дата обращения: 31.02.14).

5.Данилова Г.Н. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности. – М.: Агропромиздат, 1976. – 240 с.

439