Вплив термомеханічних напружень на зміну ширини запобіжного цілика при підземній газифікації вугілля

Світлана Володимирівна Сахно; Іван Георгійович Сахно; Валентин Олексійович Назаренко; Сергій Іванович Башинський; Андрій Вікторович Панасюк

doi:10.26642/ten-2025-2(96)-331-338

Автор(и)

Світлана Володимирівна Сахно Технічний університет «Метінвест Політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-3917-9143
Іван Георгійович Сахно Технічний університет «Метінвест Політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-8592-0572
Валентин Олексійович Назаренко Технічний університет «Метінвест Політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-7704-9270
Сергій Іванович Башинський Державний університет «Житомирська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-2945-7683
Андрій Вікторович Панасюк Державний університет «Житомирська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0001-7468-2022

DOI:

https://doi.org/10.26642/ten-2025-2(96)-331-338

Ключові слова:

підземна газифікація вугілля, стійкість ціликів, ширина запобіжного цілика, газифікація тонкого вугільного пласта, термічне напруження, CAD-CAE технології

Анотація

Підземна газифікація вугілля належить до сучасних напрямів розвитку чистих вугільних технологій і розглядається як один із перспективних способів реалізації концепції «зеленого» видобутку корисних копалин. Її суть полягає у перетворенні вугілля, що залягає у надрах, безпосередньо в газоподібне паливо в результаті контрольованого процесу горіння та хімічних реакцій. Основні принципи цього процесу відомі ще з початку ХХ століття, проте практична реалізація технології довгий час стримувалася через складність керування гідродинамічними й термомеханічними процесами в масиві порід. Останніми роками інтерес до підземної газифікації суттєво зріс у зв’язку з розвитком методу CRIP (Controlled Retractable Injection Point), який забезпечує ефективніше управління процесом горіння та підвищує рівень безпеки робіт. Саме цей метод став предметом аналізу у даному дослідженні. Однією з ключових невирішених проблем залишається визначення оптимальної ширини вугільного цілика між суміжними реакторними порожнинами з урахуванням впливу термомеханічного руйнування масиву. Для вирішення цього завдання застосовано числове моделювання із використанням програмного комплексу ANSYS 17.2, що дало змогу дослідити просторовий розподіл термомеханічних напружень у тілі вугільного цілика під час газифікації. Для прогнозування моменту та характеру руйнування на різній глибині було використано теорію Мора, яка дозволяє оцінити критичні значення напружень у породі. Отримані результати свідчать, що руйнування вугільного пласта поблизу продуктивної та нагнітальної свердловин призводить до зменшення ефективної ширини запобіжного цілика, хоча ступінь цього впливу виявився меншим, ніж очікувалося. Встановлено, що зі збільшенням глибини залягання пласта розширюється зона термомеханічного пошкодження вугілля, що обумовлено зростанням опорного тиску внаслідок обвалення покрівельних порід у постгазифікаційний період. Таким чином, головним чинником руйнування цілика є саме підвищений гірський тиск, а не локальні температурні ефекти.

Посилання

Ramkova konventsiia OON pro zminu klimatu (2021), 31 zhovtnia – 13 lystopada, [Online], available at: https://unfccc.int/sites/default/files/resource/cma2021_10_add1_adv.pdf

Allam, Z., Bibri, S.E. and Sharpe, S.A. (2022), «The Rising Impacts of the COVID-19 Pandemic and the Russia–Ukraine War: Energy Transition, Climate Justice, Global Inequality, and Supply Chain Disruption», Resources, Vol. 11, Issue 11, doi: 10.3390/resources11110099.

«Global coal demand to remain on a plateau in 2025 and 2026», Coal, [Online], available at: https://www.iea.org/energy-system/fossil-fuels/coal

Dychkovskyi, R., Falshtynskyi, V., Saik, P. et al. (2025), «Control of contour evolution, burn rate variation, and reaction channel formation in coal gasification», Sci Rep, Vol. 15, doi: 10.1038/s41598-025-93611-3.

Kostúr, K., Łaciak, M. and Durdan, M. (2018), «Some influences of underground coal gasification on the environment», Sustainability, Vol. 10, doi: 10.3390/su10051512.

Laouafa, F., Farret, R. and Vidal-Gilbert, S. (2016), «Overview and modeling of mechanical and thermomechanical impact of underground coal gasification exploitation», Strateg. Glob. Change, Vol. 21, рр. 547–576, doi: 10.1007/s11027-014-9542-y.

Lozynskyi, V., Falshtynskyi, V., Kozhantov, A. et al. (2024), «Increasing the underground coal gasification efficiency using preliminary electromagnetic coal mass heating», IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., Vol. 1348, doi: 10.1088/1755-1315/1348/1/012045/.

Saik, P.B., Dychkovskyi, R.O., Lozynskyi, V.H. et al. (2016), «Revisiting the underground gasification of coal reserves from contiguous seams», Naukovyi visnyk NHU, No. 6, рр. 60–66.

Sakhno, I., Sakhno, S. and Vovna, O. (2025), «Surface Subsidence Response to Safety Pillar Width Between Reactor Cavities in the Underground Gasification of Thin Coal Seams», Sustainability, Vol. 17 (6), doi: 10.3390/su17062533.

Li, H., Guo, G., Zha, J. et al. (2015), «Research on the surface movement rules and prediction method of underground coal gasification», Bulletin of Engineering Geology and the Environment, Vol. 75 (3), рр. 1133–1142, doi: 10.1007/s10064-015-0809-7

Najafi, M., Jalali, S.M.E., KhaloKakaie, R. (2014), «Thermal–mechanical–numerical analysis of stress distribution in the vicinity of underground coal gasification (UCG) panels», International Journal of Coal Geology, Vol. 134–135, рр. 1–16, doi: 10.1016/j.coal.2014.09.014.

Jiang, Y., Chen, B., Teng, L. et al. (2024), «Surface Subsidence Modelling Induced by Formation of Cavities in Underground Coal Gasification», Applied Sciences, Vol. 14, doi: 10.3390/app14135733.

Zhang, C., Tu, S. and Zhao, Y. (2019), «Compaction characteristics of the caving zone in a longwall goaf: A review», Environ. Earth Sci., Vol. 78, doi: 10.1007/s12665-018-8037-7.

Hoek, E., Carranza-Torres, C. and Corkum, B. (2002), «Hoek-Brown failure criterion», In Proceedings of the 5th North American Rock Mechanics Symposium and the 17th Tunnelling Association of Canada Conference, NARMS-TAC, 7–10 July, Toronto, Canada, рр. 267–271.

Sakhno, I., Sakhn, S., Skrzypkowski, K. et al. (2024), «Floor Heave Control in Gob-Side Entry Retaining by Pillarless Coal Mining with Anti-Shear Pile Technology», Applied Sciences, Vol. 14 (12), doi: 10.3390/app14124992.

Song, J., Sun, Y., and Liu, Y. (2024), «Study on the Thermal Expansion Characteristics of Coal during CO2 Adsorption», Processes, Vol. 12 (6), doi: 10.3390/pr12061229.

Wang, R., Su, X., Yu, S. et al. (2023), «Experimental Investigation of the Thermal Expansion Characteristics of Anthracite Coal Induced by Gas Adsorption», Adsorption Science & Technology, doi: 10.1155/2023/5201794.

Otto, C. and Kempka, T. (2015), «Thermo-Mechanical Simulations of Rock Behavior in Underground Coal Gasification Show Negligible Impact of Temperature-Dependent Parameters on Permeability Changes», Energies, Vol. 8 (6), рр. 5800–5827, doi: 10.3390/en8065800.

Sakhno, I.G., Molodetskyi, A.V. and Sakhno, S.V. (2018), «Identification of material parameters for numerical simulation of the behavior of rocks under true triaxial conditions», Naukovyi visnyk NHU, No. 5, рр. 48–53.

Список використаної літератури:

Рамкова конвенція ООН про зміну клімату, 31 жовтня – 13 листопада. – 2021 [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://unfccc.int/sites/default/files/resource/cma2021_10_add1_adv.pdf.

Allam Z. The Rising Impacts of the COVID-19 Pandemic and the Russia–Ukraine War: Energy Transition, Climate Justice, Global Inequality, and Supply Chain Disruption / Z.Allam, S.E. Bibri, S.A. Sharpe // Resources. – 2022. – Vol. 11, Issue 11. DOI: 10.3390/resources11110099.

Global coal demand to remain on a plateau in 2025 and 2026 / Coal [Electronic resource]. – Access mode : https://www.iea.org/energy-system/fossil-fuels/coal.

Control of contour evolution, burn rate variation, and reaction channel formation in coal gasification / R.Dychkovskyi, V.Falshtynskyi, P.Saik and other // Sci Rep. – 2025. – Issue 15. DOI: 10.1038/s41598-025-93611-3.

Kostúr K. Some influences of underground coal gasification on the environment / K.Kostúr, M.Łaciak, M.Durdan // Sustainability. – 2018. – Issue 10. DOI: 10.3390/su10051512.

Laouafa F. Overview and modeling of mechanical and thermomechanical impact of underground coal gasification exploitation / F.Laouafa, R.Farret, S.Vidal-Gilbert // Strateg. Glob. Change. – 2016. – Issue 21. – Р. 547–576. DOI: 10.1007/s11027-014-9542-y.

Increasing the underground coal gasification efficiency using preliminary electromagnetic coal mass heating / V.Lozynskyi, V.Falshtynskyi, A.Kozhantov and other // IOP Conf. Ser. : Earth Environ. Sci. – 2024. – Vol. 1348. DOI: 10.1088/1755-1315/1348/1/012045/.

Revisiting the underground gasification of coal reserves from contiguous seams / Р.В. Saik, R.O. Dychkovskyi, V.H. Lozynskyi and other // Науковий вісник НГУ. – 2016. – № 6. – С. 60–66.

Sakhno I. Surface Subsidence Response to Safety Pillar Width Between Reactor Cavities in the Underground Gasification of Thin Coal Seams / I.Sakhno, S.Sakhno, O.Vovna // Sustainability. – 2025. – Vol. 17 (6). DOI: 10.3390/su17062533.

Research on the surface movement rules and prediction method of underground coal gasification / H.Li, G.Guo, J.Zha and other // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. – 2015. – Vol. 75 (3). – Р. 1133–1142. DOI: 10.1007/s10064-015-0809-7.

Najafi M. Thermal–mechanical–numerical analysis of stress distribution in the vicinity of underground coal gasification (UCG) panels / M.Najafi, S.M.E. Jalali, R.KhaloKakaie // International Journal of Coal Geology. – 2014. – Vol. 134–135. – P. 1–16. DOI: 10.1016/j.coal.2014.09.014.

Surface Subsidence Modelling Induced by Formation of Cavities in Underground Coal Gasification / Y.Jiang, B.Chen, L.Teng and other // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14. DOI: 10.3390/app14135733.

Zhang C. Compaction characteristics of the caving zone in a longwall goaf: A review / C.Zhang, S.Tu, Y.Zhao // Environ. Earth Sci. – 2019. – Vol. 78. DOI: 10.1007/s12665-018-8037-7.

Hoek E. Hoek-Brown failure criterion / E.Hoek, C.Carranza-Torres, B.Corkum // In Proceedings of the 5th North American Rock Mechanics Symposium and the 17th Tunnelling Association of Canada Conference, NARMS-TAC, 7–10 July. – Toronto, Canada, 2002. – Р. 267–271.

Floor Heave Control in Gob-Side Entry Retaining by Pillarless Coal Mining with Anti-Shear Pile Technology / I.Sakhno, S.Sakhno, K.Skrzypkowski and other // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14 (12). DOI: 10.3390/app14124992.

Song J. Study on the Thermal Expansion Characteristics of Coal during CO2 Adsorption / J.Song, Y.Sun, Y.Liu // Processes. – 2024. – Vol. 12 (6). DOI: 10.3390/pr12061229.

Experimental Investigation of the Thermal Expansion Characteristics of Anthracite Coal Induced by Gas Adsorption / R.Wang, X.Su, S.Yu and other // Adsorption Science & Technology. – 2023. DOI: 10.1155/2023/5201794.

Otto C. Thermo-Mechanical Simulations of Rock Behavior in Underground Coal Gasification Show Negligible Impact of Temperature-Dependent Parameters on Permeability Changes / COtto, T.Kempka // Energies. – 2015. – Vol. 8 (6). – Р. 5800–5827. DOI: 10.3390/en8065800.

Sakhno I.G. Identification of material parameters for numerical simulation of the behavior of rocks under true triaxial conditions / I.G. Sakhno, А.V. Molodetskyi, S.V. Sаkhno // Науковий вісник НГУ. – 2018. – № 5. – С. 48–53.