Numerical and experimental study of geothermal energy extraction from underground mines

• Main Author: Ghoreishi Madiseh, Seyed Ali
• Other Authors: Faramarz P Hassani (Supervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121364

Underground mines are valuable sources of geothermal energy. The present study aims to understand the heat transfer phenomenon that takes place during heat extraction from underground mines using two distinctive techniques. In the first technique, geothermal heat is extracted from abandoned mine tunnels by circulating water through the tunnels, which are usually flooded after the mine is decommissioned. The second technique is based on the novel idea of installing geothermal heat exchange tubes in backfilled mine stopes prior to backfill placement in the stope. This second technique is patented by researchers at McGill University. To study geothermal heat extraction from abandoned mine tunnels, a numerical heat transfer model is developed, which takes into account forced convection inside the tunnel, conduction in the rock mass surrounding the tunnel and heat load intermittency. After development, the heat transfer model is validated by comparing its results against results from existing heat transfer models. Effects of various geometric and physical parameters on heat extraction from mine tunnels are studied using the newly developed heat transfer model, and the parameters that have the first-order effect are identified. To investigate the feasibility of the novel technique of heat extraction from backfilled mine stopes, numerical and experimental heat transfer studies are conducted. To assess the performance of a stope-coupled geothermal heat exchanger system, a numerical model is developed. The model is capable of considering the effect of heat conduction as well as natural convection. The results of the developed model are compared with those from existing ground-coupled heat exchanger models. To further validate the developed numerical model, a series of experimental tests are conducted using a small-scale laboratory test setup built for this purpose. By introducing information gathered from a number of Canadian mines into the developed heat transfer model, effects of hydraulic conductivity, thermal conductivity, rate of heat extraction and arrangement of heat exchanger tubes are investigated. === Les mines souterraines sont des sources précieuses d'énergie géothermique. Cette étude vise à comprendre le phénomène de transfert de chaleur qui a lieu lors de l'extraction de chaleur à partir des mines souterraines, en utilisant deux techniques distinctes. Pour la première technique, la chaleur géothermique est extraite à partir des tunnels des mines abandonnés. Le mécanisme d'extraction est fait par la circulation d'eau à travers ces tunnels qui sont habituellement submergés après que la mine est déclassée. La deuxième technique est basée sur l'idée nouvelle de l'installation des tubes qui peut échanger la chaleur géothermique dans les chantiers miniers remblayés avant le placement du remblai. Cette technique est brevetée par des chercheurs de l'Université McGill. Un modèle numérique de transfert de chaleur a été développé pour étudier l'extraction de chaleur géothermique des tunnels de mines abandonnés. Ce modèle tient compte de la convection forcée à l'intérieur du tunnel, la conduction dans la masse rocheuse qui entour le tunnel et l'intermittence de la charge thermique. Après son développement, le modèle est validé en comparant ses résultats aux ceux des modèles existants. Les effets de plusieurs paramètres géothermiques et physiques sur l'extraction de la chaleur à partir des tunnels des mines sont étudiés en utilisant le nouveau modèle développé. Les paramètres qui ont l'effet du premier-ordre sont ainsi identifiés. Pour étudier la faisabilité de la technique nouvellement développé pour l'extraction de chaleur par des chantiers des mines remblayés, les études numériques et expérimentales sont menées. Un modèle numérique a été développé pour évaluer la performance d'un chantier couplé avec un système d'échangeur de chaleur géothermique. Le modèle est capable de tenir compte l'effet de la conduction ainsi que la convection naturelle. Les résultats du modèle développé sont comparés à ceux des modèles d'échangeurs de chaleur géothermique existants. Pour une validation plus concrète sur le modèle numérique développé, une série de tests expérimentaux est effectuée en utilisant une configuration dans le laboratoire à petite échelle construite à cet effet. En introduisant l'information recueillie à partir de nombreux mines canadiennes dans le modèle de transfert de chaleur, les effets de la conductivité hydraulique, la conductivité thermique, la vitesse d'extraction de chaleur et la disposition des tubes de l'échangeur de chaleur sont étudiés.