Геотехнологические схемы комплексного использования теплового ресурса затопленных шахт

Введение. Одним из ведущих направлений реструктуризации угольной отрасли и восстановления природной среды в угледобывающих регионах является консервация отработанных и нерентабельных шахт. Согласно    "Инвестиционной    программе    развития    угольной промышленности Украины" в 2011-2015 гг. на территории Донбасса намечены к ликвидации 16 угольных предприятия, большая часть из которых уже закрыта [1]. Вследствие этого множество небольших шахтерских городов (Красный луч, Новогродовка, Шахтерск, Свердловск и др.) на фоне постоянно растущих цен энергоносители стали ощущать острую нехватку в тепловой энергии. В результате промышленные и гражданские задания в холодное время года остаются без достаточного отопления и горячего водоснабжения [2].

Вместе с тем, в затопленных шахтах сосредоточены значительные техногенные ресурсы тепла, которые в настоящее время практически не используются. К ним относятся геотермальная энергия, накопленная в шахтных водах, и некондиционные и маломощные пласты угля, оставленные после отработки шахтного поля.

Ежегодно только в Донецком угольном бассейне более 500 млн. м3 шахтных вод откачиваются и сбрасываются в водоемы и реки [3]. Температура этих вод составляет от 16 до 22 С в зависимости от сезона, а температура шахтных вод на глубинах более 700 м достигает 30-33 С. Соответственно поступление низкопотенциального тепла в окружающую среду оценивается в 5 млн. Гкал/год.

Зарубежный опыт использования тепла шахтных вод [4] показывает принципиальную осуществимость такой технологии и возможность достичь ее рентабельности в определенных условиях. В настоящее время в мире существует много небольших по своему масштабу проектов, в которых тепло воды из затопленных шахт используется для обогрева однодвухэтажных зданий (Германия, Франция, Англия). Наиболее масштабным считается голландский проект, который получил название MinewaterProject. В шахтерском городке Херлен вода шахты, простоявшей затопленной около 30-ти лет, сейчас обогревает целый район – около 350 зданий, из которых более 200 – жилые дома. Вместе с тем, отбор теплых шахтных вод сопряжен с техническими проблемами. Они связаны, прежде всего, с высокой минерализацией вод, достигающей 60 г/л и наличием в них токсичных веществ, что обуславливает необходимость применения специального оборудования и организации замкнутого цикла использования воды с изоляцией от поверхностных вод.

Рентабельность использования теплых шахтных вод для отопления и горячего водоснабжения резко возрастает в комплексе с тепловыми насосами. Так, применение теплового насоса на шахте «Благодатная» ОАО «Павлоградуголь ДТЭК" с тепловой мощностью 800 кВт позволило при расходе шахтной воды 200 м3/ч и коэффициенте преобразования тепла 3,5 достичь годовой экономии около 470 000 грн. [5] При этом действующий тепловой насос не дает никаких вредных выбросов в окружающую среду, что особенно важно для экологически неблагоприятных угледобывающих регионов. Однако, не смотря на серьезный экономический и экологический эффект применение тепловых насосов на шахтах до сих пор не получило широкого распространения в виду больших капитальных затрат на их установку и проблем с финансированием таких проектов.

Вместе с тем в период с 1996 г. по 2011 г. в Донецком бассейне уже было закрыто 65 шахт с общим количеством оставшихся в недрах земли 690 млн. т. угля [6]. Закрытие намеченных к ликвидации угольных предприятий приведет к новому консервированию угольных ресурсов приблизительно оцениваемых в 750 млн. т. Таким образом, в ближайшем будущем на территории затопленных шахт будет сосредоточено около 1,5 млрд. т. кондиционного угля, что приблизительно составляет 3% от разведанных ресурсов (52,6 млрд. т.) этого вида топлива в Украине.

Анализ рентабельности ресурсов геотермальной энергии показывает, что использование тепла Земли целесообразно в районах с особыми геологическими условиями (преимущественно гонные районы – Крым, Закарпатье). Отбор глубоких термальных вод с больших глубин (3-4 км) сопряжен с большими объемами бурения скважин, что требует больших затрат и часто неоправданно экономически.

В то же время в районах подземной добычи полезных ископаемых сформировался природно-техногенный ресурс тепловой энергии, использование которого не требует значительных капитальных затрат по сравнению с глубоким бурением. При этом рентабельность его использования может быть существенно выше в рамках комплексных схем, когда отбор тепла интегрирован в комплексе других технологий.

Целью данной работы является обоснование технологических схем утилизации теплового ресурса отработанных шахт для поддержания благоприятного энергетического и эколого-гидрогеологического режимов.

Основная часть. В качестве наиболее перспективных схем использования теплового ресурса шахт предлагаются:

• 1)    гидротермальный модуль как элемент подземной ГЭС на частично затопленной шахте,

• 2)    теплоэнергетический модуль на основе остаточных ресурсов угля и геотермальной энергии,

• 3)    отбор низкопотенциального тепла в рамках водного цикла в зоне шахтного дренажа.

Схема 1 основывается на следующих геотехнических предпосылках:

• 1.    В горнопромышленных регионах электрические сети подвержены существенным суточным перегрузкам, что требует создания дополнительных генерирующих мощностей с периодическим включением.

• 2.    Закрытые шахты содержат емкостной и тепловой ресурс, исчисляемый сонями миллионов кубических метров низкопотнециального теплоносителя в массиве шахт, и ресурс геодезических напоров в шахтных стволах.

• 3.    Затопление шахт сопровождается существенным изменением уровненной поверхности подземных вод по сравнению с их природным положением до начала горных работ, что приводит к подтоплению.

Функционирование подземной ГЭС без гидротермального модуля на частично затопленной шахте детально рассмотрено в [7]. Водоотливная установка функционирует следующим образом (рис. 1). В периоды минимальных нагрузок энергосистемы она работает в насосном режиме, откачивает шахтную воду на поверхность с расходом Q 1 в пруд-отстойник. Когда наступает максимум нагрузки энергосистемы, насосы не отключаются, а переходят в гидротурбинный режим, генерируя электроэнергию. Насос-турбина вращается под действием напора воды Q _а по водоотливным ставам, забирающим воду от пруда-отстойника на поверхности шахты. Для реализации этого предложения необходимо увеличить вместимость водосборников, а вместо насосов с двигателями установить обратимую гидротурбину с электрической машиной, способной работать в режиме двигателя и генератора.

Особенности реализации предлагаемо технологической схемы с гидротермальным модулем состоят в следующем. Используется емкостной и тепловой ресурс породного массива закрытых (или подлежащих закрытию) шахт путем комбинации подземной гидроэлектростанции в шахтном стволе и теплогенерирующей установки, в которой низкопотенциальным теплоносителем являются шахтные воды, откачиваемые периодически из затопленной шахты в ежесуточном цикле: откачка - сброс в шахту через гидротурбины. При этом положение уровней на шахтном поле регистрируется объемами сброса в гидрографическую сеть.

Рис. 1. Комбинированная схема подземной гидроэлектростанции и гидротермального модуля:

А – шахта ПГЭС; Б – затопленная шахта; В – работающая шахта; Q 1 , Q а – суточные расходы воды при работе ПГЭС в обычном режиме и аварийном ( Q а ) при подтоплении работающей шахты В; л Q , л Q а – тоже при сбросе остаточных расходов;

q н , q а – соответственно перетоки подземных вод в нормальном и аварийном режимах; 1 – выработки-аккумуляторы воды ПГЭС; 2 – фильтрующие перемычки; 3 – зона гидродинамического влияния при работе ПГЭС на водоотлив; 4 – сбойка;

5 – накопитель воды; 6 – поверхностный водоток; 7, 8 – уровень подземных вод при нормальном и аварийном режиме работы ПГЭС соответственно; 9 – тепловой насос; 10 – потребитель тепла (холода)

Преимущества данной технологической схемы таковы:

• •    рентабельность ПГЭС как энергетического регулятора пиковых нагрузок в электросетях удваивается за счет ее комбинации в едином модуле с теплогенерирующей установкой, использующей низкопотенциальное тепло шахтных вод;

• •    экологический эффект достигается благодаря возможности поддерживать безопасный уровень подземных вод и исключить подтопление без дополнительных мощностей.

Схема 2 основывается на следующих геотехнических предпосылках:

В пределах отработанных шахтных полей расположены пласты-коллектора и подземные пространства, способные аккумулировать большие объемы теплоносителей. Благодаря высокой тепловой емкости шахтных вод они могут использоваться для отопления и горячего водоснабжения. Причем начальная температура откачиваемых вод с глубоких горизонтов (800 м и ниже поверхности земли) достигает 3035 0С.

Использование этих вод для отопления требует дополнительного подогрева до температуры как минимум 45-55°С. Это возможно осуществить либо с применением тепловых насосов, что сопряжено со значительными капитальными затратами, либо использовать технологию подземного сжигания угля.

Второй вариант предпочтителен при наличии местных запасов некондиционных пластов или остаточных ресурсов, эксплуатация которых нерентабельна традиционными способами. Возможность его широкого применения обусловлена наличием остаточных запасов угля затопленных (или подлежащих затоплению) шахт Украины, пригодных для разработки способом подземного сжигания.

Имеющийся научно-практический опыт подземной газификации угольных пластов с попутным получением перегретого пара (месторождение Rocky Mountain, США) и создания станций подземного аккумулирования тепловой энергии в водоносных пластах для отопления и кондиционирования инженерных сооружений (Нидерланды, Германия, Франция) позволяет серьезно рассматривать перспективность такой технологии.

Принципы функционирования теплоэнергетического модуля на основе остаточных ресурсов угля и геотермальной энергии описаны в [8]. При сжигании угольного пласта часть тепловой энергии поступает в вышезалегающий водоносный горизонт и нагревает подземные воды. При фильтрации над предварительно разогретыми породами кровли повышается температура воды и вокруг отработанного генератора образуется термальный купол. Таким образом, в результате подземного сжигания угля образуется техногенное геотермальное месторождение, разработка которого возможна путем откачки нагретых вод через эксплуатационные скважины и подачи их потребителю.

Основные элементы технологической схемы представлены на рис. 2.

Особенности реализации технологической схемы состоят в использовании низкопотенциального тепла затопленного шахтного поля (или его части) с периодической активизацией теплового ресурса за счет подземного сжигания некондиционных угольных пластов. Работа теплоэнергетического модуля происходит с учетом сезонных колебаний потребления энергоносителей в регионе. Сжигание пласта должно начинаться за несколько месяцев до начала отопительного сезона, чтобы максимум температуры отбираемой воды приходился на середину холодного периода. Моделирование теплопереноса и оценка теплового потока для такой схемы рассмотрены в [8].

Рис. 2. Проектная схема теплоэнергетического модуля на затопленном участке шахты:

1 – угольный пласт; 2 – вырабатываемый газ; 3 –эксплуатационные скважины; 4 – потребитель; 5 – реакционный канал; 6 –направление течения утечек газа и перегретого водяного пара; 7 – водоупорные породы; 8 – водоносный горизонт; 9 – движение дутья; 10, 11 – направление фильтрации подземных вод и их уровень соответственно; 12 – конденсат; 13 – откачка нагретых вод

Преимущества технологической схемы состоят в следующем:

• •    достигается экономически целесообразная высокая температуры теплоносителей;

• •    обеспечивается возможность полностью исключить котельные из процесса выработки тепла, идущего на внутренние нужды шахт и в близлежащие населенные пункты;

• •    обеспечивается возможность создания компактных тепловых модулей хозяйственного назначения (например, для обеспечения тепличного комплекса).

Схема 3 основывается на следующих геотехнических предпосылках:

Фильтрационные потоки в массиве затопленных шахт характеризуются увеличением скорости и выполаживанием уровней вблизи природных русел за счет многократного увеличения проницаемости нарушенных горных пород, что приводит к подтоплению поверхности. Природными руслами дренируются потоки низкопотенциального тепла из техногенного водоносного горизонта, содержащего экологически вредные компоненты. В связи с этим, целесообразно производить отбор тепла в сочетании с технологиями по очистке воды, которые экономически более эффективны именно при наличии бросового низкопотенциального тепла (например, мембранная дистилляция).

Основные элементы технологической схемы представлены на рис. 3. Исходя из гидродинамической схемы, в зоне “П” необходим систематический поверхностный дренаж, причем в зоне, затронутой горными роботами, можно усилить его действие вертикальными буровыми скважинами с самоотливом воды. Такие буровые скважины наиболее эффективны при совмещении их стволов с магистральными выработками закрытой шахты.

Рис. 3. Технологическая схема водорегулирования и отбора низкопотенциального тепла на затопленном шахтном поле:

1-6 – соответственно уровни – подземных вод грунтового водоносного горизонта, тоже напорного горизонта, природной дрены, земли ненарушенной горными работами, земли с проседанием от горных работ, самотечного дренирования; 7 – дренажная штольня; 8 – магистральная выработка шахты; Q 1 , Q 2 , Q 3 –соответственно расходы потока с дренажной штольни на очистные сооружения; к потребителям низкопотенциального тепла, к природной дрене после отчистки; K_{0 …} K₅ – соответственно коэффициенты фильтрации водоупора, грунтового горизонта, напорного горизонта, русловых отложений, зоны горных работ, зоны водоупора затронутой горными роботами ( K 4 > K 2 > K 1 > K 5 > K 3 > K 0 ).

Особенности данной технологической схемы состоят в том, что водорегулирующий дренаж, забор воды для отчистки и водоотбор низкопотенциального теплоносителя осуществляются самотечной дренажной системой. Причем рециркуляция теплоносителя между водоносным массивом и теплопотребителями исключается, что повышает эффективность тепловых установок.

Преимущества технологической схемы состоят в следующем:

• •    предупреждается или ликвидируется подтопление на отработанном шахтном поле в режиме самотечного дренирования;

• •    производится очистка дренажных вод, накопивших вредные компоненты при фильтрации через нарушенный массив шахтного поля;

• •    повышается КПД использования низкопотенциального тепла дренажных вод за счет исключения рециркуляции теплоносителя.

Выводы. Разработанные схемы позволяют использовать тепловой ресурс затопленных шахт. Их эффективность повышается при комплексном использовании c технологиями по выработке энергии, дренированию шахт, регулированию водного режима и очистке шахтных вод.