Моделювання руху шахтних вод і теплоперенесення в умовах закритих шахт

Abstract

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