ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

ВОДА ЗАКРЫТЫХ ШАХТ — ИСТОЧНИК ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ Часть 1

Добыча полезных ископаемых, например, угля, имеет две характерные особенности, присущие именно этой отрасли промышленности: постоянное перемещение рабочего места по мере отработки запасов ископаемой залежи и после исчерпания этих запасов — прекращение работ и закрытие предприятия. Конечно, эти работы могут быть остановлены также по экономическим обстоятельствам, когда расходы на добычу начинают превышать доходы от ее продаж. После закрытия шахты ее выработанное пространство становится резервуаром подземных вод, подогреваемых геотермальной энергией.

Впоследние десятилетия добыча угля во многих регионах сократилась, вызвав закрытие шахт. Шахты во Франции, Германии, Великобритании, Нидерландах, Польше, Испании, Словакии, Украине могут стать базой и объектами детального изучения и развития геотермального использования подземного пространства.

В наши дни разработаны достаточно простые методы использования геотермальной энергии, в которых применяются теплообменники и геотермальные тепловые насосы.

Теплообменник — это система, используемая для передачи тепла между двумя средами, имеющими разные температуры. Теплообменники используются как в процессах охлаждения, так и в процессе нагрева. Они широко используются в системах отопления, охлаждения, кондиционирования воздуха на электростанциях, химических заводах, нефтехимических заводах в переработке природного газа и очистке сточных вод.

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника к потребителю. В отличие от самопроизвольной передачи тепла, которая всегда происходит от горячего тела к холодному, тепловой насос переносит тепло в обратном направлении. Для работы тепловому насосу нужен внешний источник энергии. Известными примерами тепловых насосов являются холодильники и кондиционеры. Тепловые насосы могут использоваться как для нагревания, так и для охлаждения.

Эффективность извлечения термальной энергии подземной воды зависит от исходной температуры воды и стоимости внешней электроэнергии, потребляемой тепловым насосом, а также насосами водоснабжения, входящими в схему циркуляции воды.

Отработанные и затопленные шахты представляют собой большой потенциал для использования геотермальной энергии низкотемпературной воды из подземных пространств, образовавшихся в результате отработки угольных пластов.

Известно о нескольких примерах откачки теплой подземной воды и ее использования в Германии, Нидерландах, Шотландии и Канаде. Дальнейшее развитие этой технологии продолжается в связи с реструктуризацией угольной промышленности в Европе, вызывающей закрытие шахт во многих регионах. Использование тепла шахтной воды не влияет на изменения климата и поддерживает людей, которые живут в районе и раньше работали на шахте. Вода поступает в шахту из окружающих пород, собирается в дренажных выработках на горизонтах добычи угля и откачивается на поверхность. Объем потока варьируется от шахты к шахте в зависимости от литологии (состава) пород. Он выше в формациях песчаника по сравнению с глинистыми или сланцевыми породами. Вода поступает из глубоких водоносных пластов, а также из залегающих вблизи от поверхности резервуаров почвенных вод и смешивается в процессе откачки. Притоки воды определяются также протяженностью горных выработок шахты. Так, в некоторых закрытых шахтах украинского Донбасса они превышают 1 000 м3/ч.

Когда шахты закрываются и отключаются насосы, которые откачивают приток подземных вод, сопровождающий добычные работы, вода заполняет полости, транспортные, вентиляционные, вспомогательные горные выработки, а также выработанное пространство, из которого полезное ископаемое извлечено.

Вода нагревается геотермальной энергией ядра Земли до температуры 10–20 °С ближе к поверхности, увеличиваясь с глубиной в среднем примерно на 2,5–4,0 °С каждые 100 м. Наиболее часто применяются схемы извлечения термальной энергии.

Иногда применяются другие системы извлечения геотермальной энергии из шахтной воды, например так называемая система Standing column — столба жидкости в шахтном стволе. Вода забирается в шахтном стволе с определенной глубины. Она проходит через теплообменник и частично или полностью возвращается в тот же ствол на другой глубине и с другой температурой. Любая часть воды, которая не возвращается, но выбрасы-

Схема извлечения термальной энергии из воды затопленный шахты: heat pump & heat exchanger — тепловой насос и теплообменник; energy centre or heat user — энергетический центр или потребитель энергии; warm water pumped from mine — теплая вода, откачиваемая из шахты; cooled water returned to mine — охлажденная вода

Схемы извлечения тепла из отработанных затопленных шахт: (а) открытая петля со сбросом disposal to surface... — воды на поверхности; размещение на поверхности (b) открытая петля с обратной потребителя воды; закачкой; mine shaft — ствол шахты; (c) закрытая петля в water level — уровень воды; затопленном стволе; pump — насос; (d) закрытая петля в пруде — water flow — поток воды; отстойнике на поверхности reinjection boreholl — скважина земли; возвращения воды; HE (heat exchanger...) — mine galleries-шахтные теплообменник или тепловой выработки; насос; HDPE U-tube... — HP (heat pump) — тепловой полиэтиленовая труба насос; теплообмена; space heating... — потребители mine water... — пруд — тепла или холода; отстойник шахтной воды Резервуар, образующийся после извлечения угольного пласта и оседания его кровли; стрелками q показано направление теплового потока: before coal extraction — перед извлечением угля; after coal extraction and roof caving — после извлечения угля и оседания кровли; reservoir — резервуар

Схема извлечения тепла «стоящая колонна» с большим притоком воды в ствол: bleed to waste — выпуск в отходы; heat exchange... — теплообмен со стенками ствола

вается на поверхности земли, называется отводимой частью. Если эта часть составляет 100 %, то система извлечения геотермальной энергии становится системой открытого типа. Возвращенная вода течет по стволу, возвращаясь к насосу, поглощая тепло (или отдавая его, если она теплее) стенок ствола.

Термальная производительность воды зависит от ее объема и температуры. В свою очередь, температура воды зависит от геотермального градиента (прироста температуры горных пород в 0С на 100 м глубины водозабора), теплообмена со стенками ствола и схемы ее циркуляции. Первым шагом разработки технологии использования термальной энергии шахтной воды служит оценка объема подземного пространствая, в котором будет размещаться эта вода. Произведение площади извлечения угля каждого пласта на его среднюю мощность даст расчетный объем термальной воды, которую может принять выработанное пространство этого пласта. При расчетах нужно учесть сокращение объема за счет оседания поверхности и угол наклона каждого пласта.

Технология горных работ, по которой велась отработка пласта, также влияет на результат расчетов. Так называемые «короткозабойные» системы разработки предполагают оставление «целиков» угля (подпорных колонн), поддерживающих кровлю пласта при его отработке.

Применение «длиннозабойных» систем предусматривает сплошную выемку угля с последующим полным обрушением пород кровли пласта. Заполняемое водой пространство сокращается породными обломками и крепью забоев, если она осталась после отработки пласта. При разработке геотермальной технологии предполагается, что при учете всех этих факторов свободное для заполнения водой пространство составит 25 % от расчетного объема. Такой результат обычно подтверждается вторым методом расчетов, когда суммарная добыча угля за годы работы шахты через примерную плотность угля 1 500 кг/м3 переводится в объем, который можно использовать в качестве резервуара теплой шахтной воды.

Успешность извлечения тепла шахтной воды зависит от целостности шахтных стволов и состояния оставленных горных выработок. Последнее определяется системой работ, принятой при добыче угля, и особенностями залегания угольного пласта. Выбор решений по добыче угля включает мероприятия по обеспечению устойчивости породного массива, в котором располагаются горные выработки. Однако после массового закрытия угольных шахт в Европе при отсутствии регулярного осмотра и систематического содержания обнаружилась неустойчивость стволов и наземных шахтных сооружений. Причины таких происшествий различны, но, как правило, они связаны с нестабильностью материалов, которыми производилось крепление стволов при проходке и из которых были построены наземные зда-

Камерная система разработки: direction of mining — направление leaving pillar... — оставленный целик, отработки; поддерживающий кровлю; roof bolter — установщик анкерной shuttle car — самоходная вагонетка; крепи кровли; coal pillar — угольный целик; continuous miner... — угольный комбайн; feeder — дозирующий питатель; conveyor — конвейер

Длиннозабойная система разработки: longwall shearer... — выемка угля collapsed roof material — обрушенная комбайном длинного забоя; кровля выработанного пространства; hydraulic supports — гидравлическая crusher — дробилка: крепь; conveyer belt — ленточный конвейер

ния и сооружения. Их состояние влияет на возможность извлечения тепла из шахтной воды.

На фото показаны типичные варианты аварий в крепи вертикальных стволов закрытых шахт. Крепь стволов поддерживает их стены и предотвращает обрушение. Материалами служат кирпичи, блоки из строительного камня, цементный раствор, чугунные и стальные конструкции, снижающие прочность с течением времени после закрытия шахт.

Четверть жилых домов и предприятий Великобритании расположены над угольными месторождениями, где затопленные подземные выработки содержат огромное количество возобновляемой тепловой энергии. Ее извлечение и транспортировка становятся целесообразными, когда поставщик и потребитель не разделены большими расстояниями. В Великобритании имеется 23 000 заброшенных шахт, расположенных на глубине, достаточной для получения тепловых ресурсов. Эти шахты были когдато градообразующими предприятиями для местного населения, и сейчас они окружены маленькими и большими городами. Угольная шахта Markham, расположенная в Англии, графство Южный Йоркшир, включает четыре основных ствола, из которых после закрытия шахты поддерживается только ствол № 3 диаметром 4,6 м и глубиной 490 м, закрепленный кирпичом, хотя этот ствол горными выработками соединен со ство-

Типичные виды деформаций крепи ствола, испытывающего анизотропные напряжения: а) в форме гантели; b) в форме глаза; σmin, σmaх — главные напряжения породного массива, минимальные и максимальные

Сеть горных выработок, связывающих шахты Markham и Bolsover, стрелками показано направление потоков воды: return to 255 m at 12 °C — возвращение на 20 kW heat pump — тепловой насос глубину 225 м при температуре 12 °С, мощностью 20 кВт, 2–3 L/s at 15,4 °C from 235 m — 2–3 л/с heat at 60 °C... — нагретая до 60 °С при температуре 15,4 °С с глубины 235 м, к офису Alkane

Упрощенная схема извлечения термальной энергии в стволе шахты № 3 Markham: energy meter — электросчетчик; container unit — контейнер; coal mine shaft — ствол угольной шахты; office building — здание офиса; pump — насос; over sized radiators — крупногабаритный heat exchanger — теплообменник; радиатор; heat pump-тепловой насос, under floor heating — пол с подогревом; buffer tank-буферная емкость, back fan coil units — вентиляторный up electric heater — резервный теплообменник электрический нагреватель; лами № 1 и № 4 глубиной 630 м. Шахта Markham гидравлически связана с соседней шахтой Bolsover.

В 2012 г. энергетическая компания Alkane начала опробовать пилотный проект теплового насоса на шахтной воде из ствола № 3. Была принята схема «стоящая колонна» с электрическим погружным насосом мощностью 11 кВт, расположенным на небольшом расстоянии ниже уровня воды, который тогда установился на глубине 235 м. Перекачиваемая вода с температурой 14–15 °С пропускалась через теплообменник и возвращалась в ствол после термической обработки без контакта с атмосферой с температурой 12–13 °С. Тепловой насос снабжает горячей водой с температурой 52–53 °С буферную емкость, откуда вода идет к потребителю. Возвращение воды к тепловому насосу происходит обычно при ее температуре 45–46 °С.