Theoretical and geotechnological fundamentals for the development of natural and man-made resources of coal deposits

Purpose. Theoretical and technological substantiation of parameters and schemes related to formation and use of natural and man-made volumetric and thermal resources of abandoned coal deposits using complex of geo-modules providing their activation, selection and storage in keeping with uneven seasonal energy consumption. Methods. Analytical and numerical methods for solving equations of hydrogas dynamics and heat- mass transfer; mathematical modeling by means of special software; statistical methods; stabilometrical testing of aqueous rocks samples by triaxial compression tool. Findings. The system of models presenting gas-dynamic, filtration and heat processes occurring in disturbed rocks as a result of natural and man-made resources development while shutting down mining works has been developed. The studied patterns of water and gases movement in low-permeable coal-bearing rocks, reservoir beds and flooded mines allowed to evaluate the technological parameters of extraction, accumulation, and utilization of these heat transfer fluids for heating and cooling of buildings. The paper proposes and justifies technological options serving to utilize the thermal resource of water in a flooded mine and to activate this resource by underground combustion of residual coal reserves. Originality. The mechanism of heat transfer in the flooded rock mass of the abandoned mine with periodic pumping and selection of mine waters from different horizons and their heating by natural geothermal heat and underground combustion of residual coal reserves has been studied. Practical implications. The developed models have been implemented in real mines which allowed to evaluate the ranges of flow and heat transfer parameters related to the conditions for heat transfer fluid extraction and utilization at the final stage of mining. The developed models and obtained dependences allowed to justify the parameters of technological schemata aimed at the development of natural and man-made resources of coal deposits.Мета. Теоретичне та технологічне обґрунтування параметрів і схем формування та використання природно-техногенного теплового й ємнісного ресурсів відпрацьованих вугільних родовищ за допомогою комплексу геомодулів, які забезпечують їхню активізацію, відбір і зберігання синхронно з сезонною нерівномірністю споживання енергоносіїв. Методика. Аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь гідрогазодинаміки та тепломасопереносу; математичне моделювання із застосуванням спеціального програмного забезпечення; методи статистики; стабілометричні випробування зразків водоносних порід на приладі тривісного стиснення. Результати. Розроблений комплекс моделей газодинамічних, фільтраційних і теплових процесів, які протікають у порушеному масиві та обумовлені розробкою його природно-техногенних ресурсів і згортанням гірничих робіт. Досліджено закономірності руху води та газів у слабопроникних вуглевмісних породах, пластах-колекторах і затоплених гірничих виробках, які дозволили обґрунтувати технологічні параметри відбору, акумуляції та використання теплоносіїв для тепло- і холодопостачання будівель. Запропоновані й обґрунтовані технологічні варіанти використання теплового ресурсу вод, які знаходяться у затопленій шахті, та його активізацію за рахунок підземного спалювання залишкових запасів вугілля. Наукова новизна. Досліджено механізм теплопереносу в затопленому гірничому масиві ліквідованої шахти, що супроводжується періодичним закачуванням та відбором шахтних вод різних горизонтів, а також їх нагріванням природним геотермічним теплом і підземним спалюванням залишкових запасів вугілля. Практична значимість. Розроблені моделі застосовані на реальних об’єктах у гірничопромислових районах з визначенням діапазонів параметрів гідродинамічного і теплового режимів, в яких створюються умови для відбору та використання енергоносіїв на завершальному етапі відпрацювання вугільних родовищ. На основі моделей та одержаних закономірностей обґрунтовані параметри технологічних схем розробки природно-техногенних ресурсів вугільних родовищ.Цель. Теоретическое и технологическое обоснование параметров и схем формирования и использования природно-техногенного теплового и емкостного ресурсов отработанных угольных месторождений с помощью комплекса геомодулей, обеспечивающих их активизацию, отбор и хранение синхронно с сезонной неравномерностью потребления энергоносителей. Методика. Аналитические и численные методы решения уравнений гидрогазодинамики и тепломассопереноса; математическое моделирование с применением специального программного обеспечения; методы статистики; стабилометрические испытания образцов водоносных пород на приборе трехосного сжатия. Результаты. Разработан комплекс моделей газодинамических, фильтрационных и тепловых процессов, протекающих в нарушенном массиве и обусловленных разработкой его природно-техногенных ресурсов и сворачиванием горных работ. Исследованы закономерности движения воды и газов в слабопроницаемых углевмещающих породах, пластах-коллекторах и затопленных горных выработках, которые позволили обосновать технологические параметры отбора, аккумуляции и использования теплоносителей для тепло- и холодоснабжения зданий. Предложены и обоснованы технологические варианты использования теплового ресурса вод, находящихся в затопленной шахте, и его активизации за счет подземного сжигания остаточных запасов угля. Научная новизна. Исследован механизм теплопереноса в затопленном горном массиве ликвидированной шахты, сопровождающийся периодической закачкой и отбором шахтных вод различных горизонтов, а также их нагреванием естественным геотермическим теплом и подземным сжиганием остаточных запасов угля. Практическая значимость. Разработанные модели применены на реальных объектах в горнопромышленных районах с определением диапазонов параметров гидродинамического и теплового режимов, в которых создаются условия для отбора и использования энергоносителей на завершающем этапе отработки угольных месторождений. На основе моделей и полученных закономерностей обоснованны параметры технологических схем разработки природно-техногенных ресурсов угольных месторождений.Дана стаття була б неможлива без результатів прикладної науково-дослідної роботи “Обґрунтування комплексу геотехнологічних модулів з використання природно-техногенного ресурсу родовищ корисних копалин України”, яка виконувалась в Державному ВНЗ «Національний гірничій університет» за рахунок видатків загального фонду державного бюджету (№ ДР 0115U002300)

Systems of Singular Differential Equations as the Basis for Neural Network Modeling of Chaotic Processes

Currently, systems of neural ordinary differential equations (ODEs) have become widespread for modeling various dynamic processes. However, in forecasting tasks, priority remains with the classical neural network approach to building a model. This is due to the fact that by choosing the neural network architecture, a more accurate approximation of the trajectories of a dynamic system can be achieved. It is known that the accuracy of the mentioned approximation significantly depends on the settings of the neural network parameters and their initial values. In this regard, the main idea of the article is that the initial values of the neural network parameters are taken to be equal to the parameters of the neural ODE system obtained by modeling the same process, which will then be simulated using a neural network. Subsequently, the singular ODE system was used to adjust the parameters of the LSTM (Long Short Term Memory) neural network. The results obtained were used to model the process of epilepsy

Integrated analysis of geofiltrational parameters in the context of underground coal gasification relying upon calculations and modeling

Objective of the paper is to substantiate and implement the integrated approach aimed at the studies of filtration and mass-transfer processes within roof rocks of coal seams in the context of their underground gasification. Integrity of the studies is substantiated by the use of analytical calculations as well as physical and numerical modeling. Zones with different permeability have been determined and values of specific water inflow have been identified basing upon the performed numerical modeling and involving multicomponent transformations within roof formation.The research data actuality is in the studies of spatial and temporal dynamics of rock technogenic rock permeability above gasification channel depending upon their geological structure which will favour the substantiation of efficient engineering solutions to control a process of underground coal gasification under difficult hydrogeological conditions

The review on international practices of thermal energy recovery at closed mines

Purpose. Comparative study and efficiency analysis of operating geothermal systems installed in different countries to recover heat from mine water and rocks in post-coalmining areas. Methodology. The research methods included collecting, systematizing and analyzing of actual data on the principles, designs, features, and performance indicators of open and closed geothermal systems operated at closed mines in different countries currently introducing advanced technologies of alternative power generation

SUBSTANTIATING A MECHANISM TO INCREASE THERMAL RESOURCE OF WATER-BEARING LEVELS AT THE EXPENSE OF UNDERGROUND COAL COMBUSTION

Objective is to study a mechanism increasing thermal resource of water-bearing levels at the expense of underground coal combustion

Modeling of work underground accumulation system of thermal energy

На основе анализа климатических условий Западного Донбасса рас‐считаны тепловые нагрузки, возникающие при отоплении и кондиционировании зда‐ ний жилого микрорайона. По результатам моделирования фильтрации и теплоперено‐ са  в  водоносных  коллекторах,  используемых  в  качестве  хранилищ  тепловой  энергии,  установлена  пространственно‐временная  динамика  формирования  термальных  орео‐ лов при закачке и отборе теплоносителей. Определена энергетическая мощность при‐ родных  теплоресурсов  и  экономия  энергии  при  использовании  подземных  вод  для  тепло‐ и холодоснабжения коммунального сектора. Thermal loadings, that occurring at heating and conditioning of estate build‐ ings were estimated on the basis of analysis of climatic terms of Western Donbas. Space and  time dynamics of thermal aureole forming during injection and pumping of heat transfer has  been established according to the results of modeling of flow and heat transport in the aqui‐ fer as thermal energy storage. Power and natural energy resources economy was certain due  to ground water using warm ‐ and cold of engineering building supply.

Substantiation a possibility to support necessary temperature of underwaters by coal beds incineration

Разработана математическая модель теплопереноса в подземных водах насыщающих покрывающие породы угольного пласта при его сжигании. Для горно-геологических условий участка "Ольхово нижнее" Донецкого бассейна с помощью программы численного моделирования ModFlow 2009 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.A mathematical model of heat transport in groundwater which saturate the overlying rocks of the coal seam by burning it. For the geological site conditions "Olhova lower" Donets Basin using simulation ModFlow 2009 estimates of changes in the size and shape of thermal anomaly formed in permeable rocks above the roof of the coal seam, depending on the angle of his fall, and the stage of combustion. The regularities of changes in temperature of the groundwater seepage and geotechnological parameters

Numerical modelling of flow and heat transport in closed mines. Case study Walsum drainage province in the Ruhr coal-mining area

High geothermal potential and multiple mine-water-based geothermal installations in Germany and other countries improve the relevance of detailed studies and modeling of promising sites. In this context, we developed a numerical model of water flow and heat transport in the Walsum mine drainage province in the west of the Ruhr coalmining area using the available data on geology, mining, water levels, pumping, and the temperatures of deep rocks and mine water. The model was validated by varying the parameters of groundwater recharge and hydraulic conductivity to achieve sufficient consistency with measured inflows and pumping rates from the central pumping facility located in the Walsum 2 shaft. The calculated mine water temperature of 30.3 ºC is close to the average of the measured temperature varied within the range of 29 – 33 ºC during the last years of mine maintenance. Using the numerical model, we evaluated the expected thermal capacity of a hypothetical open-loop circulation system and two closed-loop geothermal systems within the study area. The installation and operation of these systems would enable the generation of a thermal capacity from a few dozen kW to 1 MW sufficient for small-size to mid-size heat consumers with insignificant impact on the high thermal energy potential of the Walsum mine drainage province

Оцінка параметрів роботи сховища газа у неоднорідному водоносному пласті

The purpose of the article is development and testing of a mathematical model of gas storage in a layered aquifer with a low permeability interlayer for a case of plane-parallel and axial-symmetric filtration. Methodology. One of the most common models of anisotropy of rocks is a model of a layered seam, which is explained by geological conditions of sedimentation, which lead to stratification of layers with different collecting properties. In the practice of underground gas storage, consideration of such a model is of particular importance. This is due to possible significant difference in advancing a boundary of gas-water contact through the interlayers with different filtration characteristics caused by changes in a position of a gas zone. A comprehensive approach is applied, which includes collec-tion, systematization and analysis of actual data on filtration and physical and mechanical properties of host rocks that affect the formation of natural and technogenic deposits, as well as analytical and numerical methods for solving equations of gas-water contact in different conditions. Results. Gas-hydrodynamic model of underground gas storage in an inhomogeneous aquifer is justified for calculation of its cyclic operation in a three-layer seam considering cross-flows through a low permeability interlayer. The results can be used in evaluation calculations at a design stage of gas storage facilities in aquifers Scientific novelty. A mathematical model of gas storage in a layered aquifer with a low perme-ability interlayer for a case of plane-parallel and axial-symmetric filtration is developed and tested. A new method of linearization of a system of differential equations for determining pressures in a collecting seam is obtained in the article and it is a generalization of previously used methods, with an introduction of "boundary schemes" Practical significance. Calculation results indicate a significant influence of characteristics of a layered porous medium on the advance of gas-water contact along individual layers. The results can be used in the evaluation calculations at a design stage of gas storage facilities in aquifers.Метою даної роботи є розробка та апробація математичної моделі сховища газу в водоносному шаруватому пласті з слабопроникним пропластком для випадку плоскопаралельної і вісесиметричної фільтрації. Методологія. Однією з найпоширеніших моделей анізотропії гірських порід є модель шаруватого пласта, що пояснюється геологічними умовами осадо утворення, які призводять до нашарування пластів з різними колекторськими властивостями. У практиці підземного зберігання газу розгляд такої моделі має особливе значення, так як внаслідок зміни положення газової зони просування межі газо-водяного контакту по пропласткам з різними фільтраційними характеристиками може значним чином відрізнятися. Застосовано комплексний підхід, що включає збір, систематизацію та аналіз фактичних даних про фільтраційні та фізико-механічні властивості вміщуючих порід, що впливають на формування природно-техногенних родовищ, а також аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь просування газоводяного контакту в різних умовах. Результати. Обґрунтована газогідродинамічна модель підземного газосховища в неоднорідному водоносному горизонті, для розрахунку його циклічної роботи в тришаровому пласті з урахуванням перетоків через слабопроникну перемичку. Отримані результати можуть бути використані при проведенні оціночних розрахунків на стадії проектування сховищ газу в водоносних пластах. Наукова новизна. В роботі розроблена та апробована математична модель з слабопроникним пропластком для випадку плоскопаралельної і вісесиметричної фільтрації. Запропонована модель підземного сховища газу, створеного в неоднорідному водоносному горизонті, дозволяє розраховувати його циклічну роботу в тришаровому пласті з урахуванням перетоків через слабопроникну перемичку. Отриманий в роботі новий спосіб лінеаризації системи диференціальних рівнянь для визначення тисків в пласті-колекторі є узагальненням використовуваних раніше способів, з введенням «граничних схем». Практичне значення. Результати проведених розрахунків показують істотний вплив характеристик шаруватого пористого середовища на просування газоводяного контакту за окремими шарами. Отримані результати можуть бути використані при проведенні оціночних розрахунків на стадії проектування сховищ газу в водоносних пластах