Моделирование гидрогеотермических полей при подземном сжигании угольных пластов

Abstract

Статья направлена на разработку математической модели переноса тепла в подземных водах, насыщающих покрывающие породы угольного пласта при его подземном сжигании. Кроме того, в задачу исследований входило установление динамики формирования гидротермических полей в водоносном горизонте, залегающем над реакционным каналом. Разработанная математической модель основана на установление теплового баланса в объеме водоносной толщи, расположенном непосредственно над нагреваемым водоупором. Вычислительная реализация модели была выполнена с помощью программы ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для горно-геологических условий участка «Ольхово нижнее» Донецкого бассейна получены параметры изменения размеров и формы тепловых аномалий, формирующихся в водопроницаемых породах над кровлей угольного пласта в зависимости от угла его падения и стадии сжигания. Результаты исследований позволяют оценить конфигурации термальных зон, отражающие течение воды в обводненных породах кровли угольного пласта и могут использоваться для установления оптимальных периодов отбора нагретых вод из водоносного горизонта. Полученные результаты также могут быть применены для определения эксплуатационных запасов термальных вод и параметров геотехнологии их отбора.

Стаття спрямована на розробку математичної моделі перенесення тепла в підземних водах, які насичують покриваючі породи вугільного пласта при його підземному спалюванні. Крім того, в завдання досліджень входило встановлення динаміки формування гідротермічних полів у водоносному горизонті, що залягає над реакційним каналом. Розроблена математична модель ґрунтується на встановленні теплового балансу у об'ємі водоносної товщі, розташованому безпосередньо над водоупором, якій нагрівається. Обчислювальна реалізація моделі була виконана за допомогою програми ModFlow 2009 (Schlumberger W.S.). Для гірничо-геологічних умов ділянки «Ольхове нижнє» Донецького басейну отримано параметри зміни розмірів і форми теплових аномалій, що формуються у водопроникних породах над покрівлею вугільного пласта залежно від кута його падіння і стадії спалювання. Результати досліджень дозволяють оцінити конфігурації термальних зон, які відбивають течію підземних вод в породах покрівлі вугільного пласта, і можуть використовуватися для встановлення оптимальних періодів відбору нагрітих вод з водоносного горизонту. Отримані результати також можуть бути застосовані для визначення експлуатаційних запасів термальних вод і параметрів геотехнології їх відбору.

The article presents a mathematical model of heat transporting in the groundwaters which saturate cap rocks of the coal seam when the latter burns. The study task was to explain dynamics of hydrothermal fields formation in the aquifer overlying the reaction channel. The designed mathematical model is based on the established heat balance in the volume of the aquifer located proximately above the heated confining layer. The model was computed by the ModFlow 2009 software (Schlumberger W.S.). Changing sizes and shapes of the thermal anomalies formed in permeable rocks above the coal seam roof depending on the angle of incidence and combustion stage were evaluated for the mining and geological conditions of the «Olkhovo Nizhneie» field in the Donetsk Basin. The study results allow assessing configurations of thermal zones, which reflect water flow in the flooded rocks over the coal seam roof. The results can be used to determine optimal periods for the heated water withdrawal from the aquifer and to evaluate operational reserves of thermal waters and geotechnological parameters for withdrawing of such waters.