Технические возможности добычи и утилизации угольного метана из отработанных участков Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения

УДК: 622.817.622

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДОБЫЧИ И УТИЛИЗАЦИИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА ИЗ ОТРАБОТАННЫХ УЧАСТКОВ ПРОКОПЬЕВСКО-КИСЕЛЕВСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

В.И. Ефимов, Р.В. Сидоров

Показана горно-геологическая характеристика Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения и угольных шахт. Описан процесс выделения метана после закрытия шахт. Приведены результаты наблюдений выделения метана на поверхность из скважин, пробуренных в пустоты, которые сформировались после выемки угля. Дана оценка перспективы добычи и переработки шахтного метана ликвидируемых шахт.

Ключевые слова: мощные угольные пласты, горно-геологические нарушения, шахтный метан, закрытые шахты, мониторинг выделения метана, утилизация метана.

Отработка мощных угольных пластов подземным способом в настоящее время ведется только в г. Прокопьевске, Кемеровской области на Прокопьевско-Киселевским месторождении, которое является уникальным не только в масштабе Кузбасса или России, но и всего мира.

Его уникальность заключается, прежде всего, в залегании угольных пластов. Углы их падения находятся в пределах 45...900. Мощность достигает 30...35 м. Геологическая структура месторождения представляет собой ряд чередующихся синклинальных и антиклинальных складок, осложненных множеством тектонических нарушений различных типов.

Горные работы по добыче угля ведутся на глубине 250.450 м от дневной поверхности, что обуславливает повышенное газовыделение, увеличение горного давления, отнесение части пластов к угрожаемым или опасным по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа. Средняя метанообильность пластов около 20 м /т.

Принципиальная схема строения месторождения приведена на

рис.1.

Сложность горно-геологических и геофизических условий предопределили разнообразие применяемых технологий, адаптированных к данному месторождению и безопасности ведения горных работ [1, 2].

В настоящее время из действующих когда-то 16-ти шахт в городах Прокопьевске и Киселевске осталось только две в г. Прокопьевске: АО «Шахта имени Дзержинског» и АО «Шахта Красногорская» остальные шахты, несмотря на то, что добывали качественные коксующие угли, закрыты из-за отсутствия высокопроизводительных, безопасных и конку-

рентных технологий отработки такого рода месторождений угля подземным способом [3, 4].

После закрытия, угольные шахты становятся объектами, выделяющими в атмосферу шахтный метан и другие вредные газы (в дальнейшем будет рассматриваться только метан) и становятся потенциально опасными для близлежащих населенных пунктов. На горных отводах таких шахт, через систему трещин, метан продолжает неконтролируемо выделяться на поверхность, что представляет собой угрозу жизнедеятельности людей на территориях, где горные отводы расположены вблизи жилых массивов [5, 6].

После закрытия угольные шахты становятся объектами, выделяющими в атмосферу шахтный метан и другие вредные газы (в дальнейшем будет рассматриваться только метан) и становятся потенциально опасными для близлежащих населенных пунктов. На горных отводах таких шахт через систему трещин метан продолжает неконтролируемо выделяться на поверхность, что представляет собой угрозу жизнедеятельности людей на территориях, где горные отводы расположены вблизи жилых массивов.

При этом потенциальная опасность формируется излишками метана, являющегося возобновляемым полезным ископаемым, переработка которого позволила бы не только обеспечить тепловой либо электрической энергией ближайшие объекты энергопотребления, но и компенсировать расходы на ликвидацию угольных шахт. Возможность реализации извлечения и переработки метана ликвидируемых и закрытых угольных шахт базируется на достоверной оценке параметров метановых подземных коллекторов и контроле процесса извлечения. Речь идёт о свободном газе, который скапливается в техногенных пустотах деформированного горными работами породного массива и образованного в результате сложных меха-нохимических процессов сложившихся в процессе метаморфизма угольного вещества. Источниками подпитки коллекторов метаном являются пласты, попавшие в зону деформации, в результате чего активизируется процесс десорбции метана и этот метан заполняет пустоты. У шахт г. Прокопьевска (им. Ворошилова, Зиминка, Коксовая, им Дзержинского) общий объем пустот, образовавшихся после отработки угольных пластов за последние 10 лет, по прогнозам ООО ВостНИИ составляет 8636,9 тыс. м . При средней концентрации 42 %, в изолированном объеме выработанных пространств шахт, сосредоточено около 5000 тыс. м метана.

Для оценки интенсивности выделения метана на поверхность были выбраны профилактические скважины, пробуренные в купол обрушенного пространства отработанных угольных пластов. В результате производимых замеров средняя годовая производительность, одной скважины, составила

3 3

1614 тыс. м метана с концентрацией 46 % при расчетной 2000 тыс. м с концентрацией 60 %. На протяжении десяти лет велись измерения газов

выходящих из профилактических скважин, пробуренных в купола обрушенных пространств, после отработки угольных пластов «Горелый», «Внутренний», «Мощный» шахт «Красногорская» и «Зиминка». Результаты измерений говорят о значительном истечении метановоздушной смеси из скважин в единицу времени. Пример результатов замера метана из профилактической скважины глубиной 330 м и диаметром 159 мм показан в табл. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема строения Прокопьевско-Киселёвского

месторождения

По данным ВНИМИ, площадь таких зон в Прокопьевско-Киселевском геологическом районе Кузбасса составляет более 100 кв. км. Наибольший интерес представляют угольные крутопадающие пласты мощностью более 6 метров, где эффективно можно применить технологии стимулирующие интенсификацию газоотдачи пластов. Основной задачей проекта будет проведение опытных испытаний отобранных технологий, с целью определения работоспособности и эффективности, определению оптимальных параметров работы скважин, себестоимость добычи газа [5].

Таблица 1

Результаты замера СН4__

№ Дата Скорость ис- Концен- Диаметр Расход ме-

п/п проведения течения мета- трация заборного тано-

замеров но-воздушной метана, устройства, воздушной

смеси, % мм смеси,

м\с м3/мин

1 25.10. 10 3,0 60 159,0 1,23

2 11.12.2010 2,5 62 159,0 1,12

3 13.01.2011 0 40 159,0 0

4 28.04.2011 2,3 38,8 159,0 1,1

5 09.06.2011 - 38,5 159,0 1,1

Практическое применение результатов мониторинга исходящих из скважин газов возможно при реализации энергоэффективных технологий утилизации шахтного метана из неразгруженных пластов в зонах геологических нарушений, расположенных на небольших глубинах в охранных целиках (пример такого вида скважин пробуренных в зону геологического нарушения показан на рис. 2).

вакуум-насосная

Совокупность достигнутых результатов позволит без каких-либо дополнительных исследований осуществлять проектирование и монтаж установок по извлечению и переработке в тепловую и электрическую энергию шахтного метана закрытых и ликвидируемых угольных шахт.

Масштабность применения обоснована большим количеством закрытых шахт и общей тенденцией к их ликвидации в связи с усложнением условий угледобычи. Только в Кузбассе на данный момент закрыто 39 шахт, из них непосредственно в Прокопьевском геолого-экономическом районе Кузбасса: им. Калинина, «Ноградская», «Центральная», «Северный Маганак», «Красный углекоп», «Тырганская», «Коксовая», «Зиминка», Зенковская» и другие. Ситуационный план ликвидированных шахт г. Прокопьевска показан на рис. 3.

Реализация проектов переработки шахтного метана закрытых и ликвидируемых шахт, позволяет:

получить альтернативные и автономные источники энергии, расположенные вблизи от вышеупомянутых населенных пунктов;

применить технологические схемы сети дегазационных скважин с системой автоматической регулировки концентрации и расхода метано-воздушной смеси, позволяющей обеспечить требуемый дебит и концентрацию в процессе извлечения метана;

за счет большого угла наклона угольных пластов и малой площади горизонтальной проекции применить инженерные решения по эффективной транспортировке метановоздушной смеси на дневную поверхность;

применить отечественное оборудование для утилизации газа метана;

использовать в различных прикладных областях в качестве топлива, генерации электроэнергии, для металлургического производства, в промышленных печах и котлоагрегатах моторного топлива, в двигателях внутреннего сгорания, в качестве сырья при производстве удобрений.

При решении вопросов утилизации метана большое значение имеют такие параметры как концентрация метана в извлекаемом газе и его динамика выделения по времени, влажность, калорийность, содержание других углеводородных соединений и ряд других факторов. При заблаговременном извлечении концентрация метана может составлять 95-98 %, срок эффективной эксплуатации скважин достигать 7-10 лет.

Современные технологии утилизации метано-воздушных смесей различной концентрации, включают газогенераторные станции, модули преобразования газовых смесей низкой концентрации в тепловую и электрическую энергию, модульные котельные установки [6-8]. Как пример, получение тепловой энергии путем сжигания дегазационного метана на шахте «Красногорская» модульной котельной установкой МКУ-В-0,7 производства Бийского котельного завода, с установленной тепловой мощно-

стью 0,7 МВт и потреблением 2,5 м3/мин чистого метана. МКУ предназначена для получения 0,6 Гкал/час тепла при нагревании сетевой воды от 70 до 110 градусов (рис. 4).

Условные обозначен™:

| ^ --Житная дорога

| ^ С - Р^чьн и рскл

Рис. 3. Ситуационный план ликвидированных шахт г. Прокопьевска

Рис. 4. Модульная котельная установка МКУ-В-0,7

Полученное тепло используется на технологические нужды шахты, включая отопление, вентиляцию и горячее водоснабжения. Шахта имеет экономию за счет снижения затрат на отопление, экономии по платежам за выбросы метана в атмосферу и повышения производительности труда по добычи угля за счет создания более безопасных условий работы шахтеров.

Список литературы

1. Ефимов В.И., Сухарев Г.В. Анализ отработки мощных крутых пластов в городе Прокопьевске // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. № 2.С. 57-77.

2. Мельник В.В., Ефимов В.И. Безопасная подземная отработка сближенных мощных крутых пластов // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 12. С. 22-24.

3. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин и [др.] // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 43-46.

4. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В. Оценка геоэкологических последствий подземной добычи полезных ископаемых // VI International Geomechanical Conference Federation of the Scientific Engineering Unions in Bulgaria. Varna. 2014. P. 323 - 331.

5. Ефимов В.И., Рыбак Л.В., Баскаков В.П. Утилизации шахтного метана из действующих шахт ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. № 1. С. 47-52.

6. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources / N.M. Kachurin [et al.] // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 135-140.

7. Ефимов В.И., Баскаков В.П. Дегазация пластов выемочного участка ООО «Шахта Красногорская» // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. № 1. С.35-41.

8. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.

Ефимов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., v.efimov@ mirtrade.rH, Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»,

Сидоров Роман Владимирович, горный инженер, директор, r.sidorovasds-ugol.ru, Россия, Кемерово, ООО «Сибирский Институт Горного Дела»

TECHNICAL POSSIBILITIES OF EXTRACTION AND UTILIZING COAL METHANE FROM PROKOPIEVSK-KISILEVSK COAL DEPOSIT GOBS V.I. Efimov, R.V. Sidorov

Mining-geological characteristics of Prokopievsk-Kisilevsk coal deposit and coal mines were submitted. Methane emission process after liquidation of the mines was described. Results of researching methane emission into earth surface from boreholes, which drilling into hollow space, which forming after coal mining were submitted. Evaluating perspectives extraction and utilizing mine methane of liquidated mines was given.

Key words: thick coal seams, mining-geological disturbance, mine methane, liquidating mine, monitoring methane emission, utilizing methane.

Efimov Victor Ivanivich, Doctor of Sciences, Full Professor, v.efimov@mirtrade.ru, Russia, Moscow, National Research Technological "MISIS",

Sidorov Roman Vladimirovich, mining engineer, Director, r.sidorov@sds-ugol.ru, Russia, Kemerovo, OOO "Siberian Mining Institut"