РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ НАКОПЛЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ В ПОКРЫВАЮЩИХ ПОРОДАХ НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1. Обоснование параметров физического моделирования процесса газификации
Исследование процесса насыщения покрывающих пород продуктами газификации (ПГ) при ПГУ характеризуется большой сложностью вследствие трудностей, возникающих при наблюдении за всеми его составляющими в натурных условиях. Кроме того, решение системы дифференциальных уравнений, описывающих данный процесс, значительно осложняется его нелинейностью. В связи с этим целесообразно использовать метод физического моделирования, позволяющий исследовать процесс накопления ПГ с необходимой степенью детализации, изучить их состав и проанализировать закономерности распределения в породной кровле подземного газогенератора.
Основная цель физического моделирования заключается в том, чтобы по результатам опытов оценить характеристики процесса накопления ПГ в реальных условиях. При соблюдении критериев подобия результаты экспериментов можно перенести на изучаемый объект путем умножения определяемых величин на коэффициент подобия.
Подземная газификация угля сопровождается непрерывным перемещением огневого забоя от нагнетательной скважины к газоотводящей за счет выгазовывания угольного массива. Ввиду сложности построения пространственной физической модели подземного газогенератора ограничимся моделированием процесса газификации 1 п.м. угольного пласта. В качестве натурного объекта примем Синельниковское буроугольное месторождение, сводный геологический разрез которого приведен на рис.1.11.
Согласно теории подобия ?52, 53?, создаваемая модель должна иметь одну и ту же физическую природу, (т.е. принадлежать к одной группе подобных явлений), что и изучаемый объект; также между ними должны быть соблюдены основные условия подобия.
Геометрическое подобие обеспечивается при условии пропорционального уменьшения всех линейных размеров по сравнению с натурным объектом, в которой изучается данный процесс:
, (2.1)
где - мощность покрывающих пород в натуре и на модели; - длина моделируемого участка газогенератора натуры и модели; - пути, проходимые газовыми потоками от породного контура подземного газогенератора до фиксированной точки пород кровли, сходной для натуры и модели. На рис. 2.1 приведена схема, необходимая для создания геометрически подобной модели.
Рис. 2.1. К формулировке условий подобия процесса газификации 1 п.м. угольного пласта: 1 - огневой забой; 2, 3 - направления перемещения огневого забоя и фильтрации газовых потоков соответственно; 4 - фиксированная точка покрывающих пород.
Исходя из длины моделируемого участка газогенератора 1 м, принимаем ; откуда протяженность участка на модели равна 0,04 м. Глубина залегания угольного пласта в пределах Синельниковского месторождения составляет 60 м. Таким образом, высоте модели 1 м соответствует слой перекрывающих пород мощностью 25 м, что вполне достаточно для изучения процесса накопления ПГ в кровле подземного газогенератора. Так как средняя протяженность реального газогенератора составляет около 30 м, а ширина 1,5 м, то модель можно считать плановой.
Полученные геометрические параметры можно выразить в относительных единицах [54]:
; (2.2)
, (2.3)
где - инварианты геометрического подобия, равные 60 и 0,1 (при ) соответственно.
Временное подобие обеспечивается при выполнении следующих условий [55]:
; (2.4)
, (2.5)
где - время движения огневого забоя в реальном газогенераторе и на модели; - время фильтрации газового потока до заданной точки покрывающих пород сходственной для натуры и модели.
Средняя скорость продвижения огневого забоя на станциях ПГУ 0,8 м/сут, скорость фильтрации утечек вырабатываемого газа в породах кровли подземного газогенератора при избыточном давлении в нем 0,1 МПа составляет 10 м/сут. Откуда время выгазовывания одного погонного метра угольного пласта в натуре будет равно 1,25 сут, а время фильтрации газа до точки, удаленной на расстояние 4 м от породной кровли газогенератора - 0,4 сут. Скорость выгазовывания моделируемого участка угольного пласта в камере горения экспериментальной установки равна 1,3 м/сут, тогда время газификации угля на модели в среднем составит 0,031 сут или 45 мин, а . При средней скорости фильтрации газовых потоков в эксперименте 500 м/сут время фильтрации до точки, сходственной для натурного объекта и модели, будет равно 0,00032 сут (28 с), откуда .
Кинематическое подобие соблюдается, если траектории газовых потоков и огневого забоя на модели и объекте будут геометрически подобны и одинаково ориентированы по отношению к границе, соответствующей породному контуру подземного газогенератора. Для газового потока и огневого забоя, проходящих подобные расстояния, можно получить константы подобия их скоростей:
; (2.6)
, (2.7)
где - скорость продвижения огневого забоя в реальном объекте и модели; - скорость фильтрации утечек газа в породах кровли подземного газогенераторе и модели.
Для реализации граничных и начальных условий при моделировании необходимо обеспечить равенство безразмерных одноименных параметров. В качестве начальных условий в модели приняты условия, подобные натурным до начала процесса газификации угольного пласта, когда породы нев