Комплексное освоение георесурсов угленосных отложений и заблаговременное извлечение угольного метана

УДК 622.86

В.В. Гурьянов

КОМПЛЕКСНОЕ ОСВОЕНИЕ ГЕОРЕСУРСОВ УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ УГОЛЬНОГО МЕТАНА

Выдвинутое в конце шестидесятых - начале семидесятых годов прошедшего столетия академиком Н.В. Мельниковым понятие "комплексное освоение недр" как новое - прогрессивное направление в области горных наук и горного производства получило дальнейшее развитие в работах академиков М.И. Агошкова, К.Н. Трубецкого и их учеников, прежде всего, сотрудников Института проблем комплексного освоения недр (ИПКОН РАН), созданного в 1977 году по инициативе Н.В. Мельникова.

Применительно к угленосным отложениям основное богатство недр заключается в ископаемом угле. Сопутствующие углю ресурсы недр (метан, вмещающие породы, залежи руд редких металлов, шахтные воды и т.д.) имеют меньшую ценность, но, тем не менее, обладают достаточной значимостью для хозяйственного использования. Совместное их извлечение при добыче угля и использование в промышленных целях могут дать дополнительный экономический эффект, способствующий повышению рентабельности угольного производства.

Наибольшее внимание в последние два десятилетия учеными и специалистами уделяется проблемам и перспективам освоения энергоресурсов угольных месторождений, к которым, в первую очередь, относятся ископаемые угли и генетически связанный с ними метан. В ряде случаев опреде-

ленный интерес представляет энергетический потенциал шахтной вентиляционной струи (теплый воздух и содержащиеся в нем углеводородные газы).

Среди наиболее важных задач комплексного освоения угольных месторождений следует выделить:

- комплексное использование многокомпонентных ресурсов недр;

- снижение общих и эксплуатационных потерь угля при его добыче;

-эффективное вовлечение забалансовых запасов углей в промышленную эксплуатацию;

- развитие комбинированных и нетрадиционных технологий добычи и переработки угля;

- повышение качества добываемых и товарных углей;

- создание новых видов угольной продукции и топлива.

Важнейшей задачей освоения угольных месторождений

всегда было и остается в настоящее время - создание условий газобезопасности при разработке метанонасыщенных пластов угля, а в последнее время и промышленная добыча угольного метана.

Большинство угольных месторождений России характеризуются высокой газоносностью разрабатываемых угольных пластов (до 40-45 м3/т), что неблагоприятно влияет на технико-экономические показатели работы угольных шахт и обеспечение безопасности труда. Другой особенностью газонасыщенных угольных месторождений нашей страны является их высокая угленосность, определяющая скопление в недрах значительных ресурсов метана угольных пластов, составляющих 45% от их мировых ресурсов.

Высокая природная газоносность угля не только представляет опасность при ведении горных работ, но также является серьезным препятствием для повышения эффективности производственных процессов по добыче угля. В этой связи с середины прошлого столетия интенсивно развиваются исследования и разработки по дегазации угольных шахт, каптации и промышленному использованию извлекаемого метана, позволившие обосновать целесообразность заблаговременной дегазации угольных пластов скважинами с поверхности, а затем

и разработку скважинных технологий промышленной (промысловой) добычи угольного метана.

В настоящее время угольный метан считается одним из перспективных нетрадиционных источников топливно-энергетических ресурсов и добывается в промышленных масштабах в США, Австралии, Канаде и Китае.

Академик М.И. Агошков, 100-летие которого отмечалось в ноябре прошедшего года, обращал особое внимание на необходимость вовлечения в эксплуатацию выделяющегося из угольных пластов метана, развитие технологии «Углегаз» и комплексное освоение угольных месторождений с применением открыто-подземных технологий. Эти идеи в 19852005 годах успешно развивались академиками В. В. Ржевским, К.Н. Трубецким, чл.-корр. Д.Р. Каплуновым, проф. А.В. Стариковым и рядом других ученых ИПКОн РАН. Проведенные исследования позволили сформировать научные основы комплексного освоения ресурсов недр при разработке угольных месторождений подземным способом [1-4].

В 40-ые годы прошлого столетия академиком. А.А. Ско-чинским и профессором Г.Д. Лидиным была выдвинута идея «комплексной разработки угольных пластов с высокой мета-ноносностью (газоугольных месторождений) с предварительной дегазацией угленосных толщ и утилизацией метана» [5].

Н.В. Мельников более 40 лет тому назад прогнозировал, что в перспективе «будет создана новая технология и организация горного производства, при которых шахты, рудники и карьеры будут полностью освобождены от вредных газов» [6]. В этот период времени шахтный метан и связанные с ним газодинамические явления считались злейшим врагом шахтеров.

Анализ рассматриваемых проблем позволяет утверждать, что в настоящее время назрела необходимость и созданы предпосылки для коренного повышения эффективности подземной угледобычи на основе перехода к комплексному освоению ресурсов угольных месторождений с более полным извлечением и использованием заключенного в угольном веществе метана. Это подтверждается результатами исследований и опытом освоения технологий извлечения этого газа из под- и надрабатываемых угольных пластов и выработанного пространства шахт, а также сорбированного метана

из неразгруженных от горного давления пластов с применением методов искусственного повышения их газоотдачи.

Проведенные в 2000-2005 годах в ИПКОН РАН исследования по комплексному освоению ресурсов угленосных отложений недр позволили обосновать целесообразность совместной добычи угля и метана при разработке газоносных угольных месторождений и сформулировать основные положения технологической модели такого комплексного предприятия [7]. Новый подход к освоению ресурсов газоносных угольных месторождений заключается в том, что вместо строительства и эксплуатации шахт по добыче угля с одновременным проведением мероприятий по преодолению "газового барьера", следует проектировать и сооружать комплексные предприятия с интегрированными технологиями совместной добычи угля и метана, обеспечивающими осуществление производственных процессов на основе их увязки во времени и пространстве.

Результаты научных исследований, выполненных в рамках ГНТП «Недра России», послужили определенным импульсом для дальнейшего развития в нашей стране работ по промышленному освоению ресурсов метана высокогазоносных угольных пластов.

Подтверждением этого является принятие в Российской Федерации в 2004-2005 годах следующих важных решений в этой области.

1. Ратификация Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата - международного правового документа для решения задач стабилизации изменения климата за счет снижения антропогенных выбросов парниковых газов, в т.ч. и угольного метана, открывающего дорогу к интенсификации разработки и внедрения на угольных предприятиях современных технологий по заблаговременному извлечению и сокращению эмиссии этого газа в атмосферу.

2. Поддержка Россией инициативы США по учреждению Международного партнерства по использованию нетрадиционных ресурсов метана (шахтный метан, метан полигонов твердых бытовых отходов, нефтяных и газовых систем).

Целью партнерства является создание структуры но международному сотрудничеству в области увеличения добычи

и использования метана как ценного чистого источника энергии, повышение энергетической безопасности, улучшение состояния окружающей среды и уменьшение парникового эффекта за счет газовой эмиссии в мировом масштабе.

3. Проведение Министерством природных ресурсов РФ конкурса и оформления Государственного контракта на выполнение проекта "Разработать методику и оценить ресурсы угольного метана".

Реализация проекта позволит разработать:

- типизацию высокогазоносных угольных месторождений для выбора объектов с потенциально извлекаемыми ресурсами угольного метана;

- методическое руководство по оценке ресурсов угольного метана;

- базу данных по прогнозным ресурсам угольного метана в России;

- рекомендации по первоочередным объектам промысловой добычи угольного метана в нашей стране.

4. Проведение Федеральным агентством по науке и инновациям открытого конкурса и формирование Государственного контракта на выполнение комплексного проекта "Создание технологии извлечения и промышленного использования метана угольных пластов".

В результате реализации этого проекта должны быть разработаны технологии и технические средства извлечения и использования метана угольных пластов и шахтного метана (метановоздушных смесей), ориентированные на их применение как при заблаговременной дегазации угольных месторождений и промысловой добыче угольного метана, так и на эксплуатируемых и закрытых угольных шахтах.

Следует отметить, что принятие указанных решений является важным практическим шагом Правительства России по реализации Энергетической стратегии нашей страны на период до 2020 года.

Многие ученые России обосновывают целесообразность совершенствования и промышленного использования нетрадиционных технологий освоения топливно-энергетических

ресурсов угольных месторождений, таких как подземная газификация угля, подземное сжигание углей и ряда других. Следует особо отметить работы В. В. Ржевского, А.С. Бурча-кова, Г.И. Селиванова по обоснованию целесообразности применения стадийной разработки угольных месторождений (технология «Углегаз»), а также Г.И. Грицко и С.Н. Лазаренко по разработке ноосферного подхода к комплексному освоению ТЭР угольных месторождений.

Развивая идею комплексного освоения георесурсов угольных месторождений, ноосферный подход рассматривает производство газа не как "попутное" извлечение пластового метана, а как равноправное (с добычей угля) и полноценное (а в некотором смысле - и самодостаточное) производство газообразного сырья.

Необходимо также отметить появление в последние годы работ д.т.н. А.В. Ильюши, проф., Ю.Ф. Васючкова и ряда других ученых, посвященных вопросам развития и технологической интеграции энергоугольных и углехимических производств.

Вышеизложенное имеет непосредственное отношение к перспективам развития угольной промышленности нашей страны, отраженное в "Энергетической стратегии России на период до 2020 года". В соответствии с этим документом при оптимистическом варианте развития экономики нашей страны добыча угля в России может возрасти к 2020 году до 400430 млн. т в год. Для обеспечения указанного роста добычи угля предполагается построить и ввести в эксплуатацию новые шахты и угольные разрезы суммарной производственной мощностью около 200 млн т в год. В 2011-2020 гг. за счет перемещения добычи угля на вновь введенные мощности, оснащенные техникой нового поколения, предусматривается коренное изменение технического и экономического уровня угольного производства.

В числе намеченных приоритетов научно-технической и инвестиционной политики в угольной отрасли предусматривается разработка новых технологий и оборудования для эффективной дегазации угольных пластов, а также техническое обеспечение промышленной утилизации шахтного ме-

Годы Количество шахтопластов

До 5 5-10 11-15 16-25 26-35

Кузнецкий бассейн

2004 16 20 13 12 -

2020 10 15 20 15 5

Печорский бассейн

2004 - 7 1 5 7

2020 - 5 3 5 7

тана. Кроме того, перед топливно-энергетическим комплексом страны поставлена задача по разработке и внедрению новых эффективных экологически безопасных технологий добычи, производства, преобразования, транспорта и комплексного использования топливно-энергетических ресурсов, в том числе нетрадиционных ресурсов углеводородного сырья (метан угольных месторождений и др.).

В 2020 году в России предполагается иметь в эксплуатации примерно 70 шахт (при 104 в настоящее время) и добывать подземным способом 120-140 млн т угля. При этом структура шахтного фонда изменится в сторону резкого снижения количества шахт с небольшой производственной мощностью и преобладанием предприятий с годовой мощностью от 1,0 до 3,5 млн т. К 2020 году также прогнозируется увеличение числа комплексно-механизированных забоев с годовой нагрузкой более 2 млн т с 2 до 10 или в 5 раз.

Существенно изменятся и горногеологические условия разработки угольных пластов: на шахтах Кузбасса глубина горных работ достигнет 650-700 м, возрастет газоносность разрабатываемых угольных пластов (см. таблицу) [8].

Из таблицы видно, что число особоопасных по газу шахтопластов увеличится с 38 до 55 или почти в 1,5 раза.

Исследования ВостНИИ позволили установить, что угольные пласты Кузбасса приобретают склонность к внезапным выбросам угля и газа при газоносности пластов, превышающей 11 м3/т с.б.м [9], являющейся важнейшим критерием выбросоопасности угольных пластов.

Приведенные данные свидетельствуют об ожидаемом увеличении в перспективе объемов выделяющегося метана при угледобыче и числа газодинамических явлений, обострений проблемы обеспечения газобезопасности на отечественных угольных шахтах и необходимости разработки и принятия адекватных мер по вопросам технической и экологической безопасности.

Результаты выполненных исследований, анализ и оценка новых задач по повышению эффективности и газобезопасности разработки высокогазоносных угольных пластов, рациональному природопользованию, вовлечению в хозяйственный оборот ресурсов угольного метана и сокращению его эмиссии в атмосферу Земли свидетельствуют, что их реализация может быть обеспечена лишь на основе комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов газоносных угольных месторождений, залегающих в различных горногеологических условиях.

При этом в первоочередном порядке, следует разрабатывать и осваивать в производстве технико-технологические и организационно-методические решения, обеспечивающие:

- заблаговременное извлечение, каптацию и утилизацию угольного метана и метановоздушных смесей (шахтного метана) при подземной разработке метаноугольных месторождений на горных отводах строящихся, действующих и закрытых шахт;

- заблаговременное извлечение угольного метана при открытой разработке метаноугольных месторождений на горных отводах строящихся и действующих угольных разрезов;

- промышленную (промысловую) добычу угольного метана на разведываемых и перспективных для разведки метаноугольных месторождениях.

Узловым вопросом совершенствования технологии и ор-ганизации разработки газоносных угольных месторождений, особенно подземным способом, следует считать решение проблемы заблаговременного извлечения угольного метана и особенно создания и освоения таких технологий, как прогнозировал академик Н.В. Мельников, при которых шахты будут полностью освобождены от этого газа. В последние годы в среде ученых и производственников

нашей страны созрела идея создания таких комплексных предприятий. Подтверждением этому является Решение Международной научно-практической конференции, состоявшейся в июне прошлого года в г. Новокузнецке, опубликованное в журнале "Уголь", №9 за 2005 г., в котором в частности отмечается необходимость "усилить существующие и обосновать новые направления развития фундаментальной и прикладной науки для создания наукоемких и безопасных технологий добычи, переработки и комплексного использования природных ресурсов, в том числе: эффективных способов и средств извлечения и использования метана до начала горных работ с целью создания негазовых шахт" [10].

Возможность практического решения этой задачи подтверждается опытом разработки газоносных угольных месторождений в США. Основываясь на результатах промышленного использования заблаговременного извлечения уголь-ного метана (дегазации угольных пластов и добычи метана), разработка и освоение которого в этой стране длительное время (13 лет) осуществлялись при мощной поддержке Правительства США, был принят закон, в соответствие с которым добычу угля можно осуществлять на угольных пластах с газоносностью не более 9 м3/т [11]. Это направление решения указанной задачи активно развивается в МГГУ и ИПКОН РАН [7,11].

Для решения этой задачи необходимо ускорить проведение комплекса научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работ в области заблаговременного извлечения угольного метана.

Приоритетными направлениями этих работ следует считать:

1) Разработку типизации метаноугольных месторождений основных угольных бассейнов России и на ее основе -методики конструирования их геотехнологических моделей и формирования физико-фильтрационных моделей высокогазоносных угольных пластов.

2) Разработку принципов и научных основ заблаговременного извлечения (промышленной добычи) угольного метана, основывающихся на применении методов техно-

генного (искусственного) изменения геомеханического и га-зодина-мического состояния углевмещающих толщ, физических и коллекторских свойств высокогазоносных угольных пластов.

3) Обоснование подходов и разработку научно-методических положений по выбору и совершенствованию существующих и созданию новых перспективных способов интенсификации газоотдачи метаноугольных месторождений на основе применения техногенных воздействий на угольные пласты и (или) вмещающие их горные породы.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стариков А.В. Комплексное освоение угольных месторождений. -М.: Наука, 1990. 186 с.

2. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Направления научно-технического прогресса в топливной промышленности России // Горный журнал. - Л. -1994. - №8. - С. 12-14.

3. Стариков А.В., Гурьянов В.В., Иофис М.А. Проблемы комплексного использования георесурсов при подземной разработке угольных месторождений. Горный вестник, 1997, №5. С. 71-77.

4. Стариков А.В., Гурьянов В.В., Труфанов В.Н., Гамов М.И., Ры-лов В.Г. Комплексное освоение георесурсов угленосных отложений. Учебное пособие для студентов по специальности 08100. - Ростов-на-Дону. Издательство Ростовского университета. 2001. 148 с.

5. Лидин Г.Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР. Том I. Издательство АН СССР. Ленинград, 1949, с.2.

6. Мельников Н.В. Горная наука (задачи в связи с развитием промышленности). - М.: Недра, 1964. - С. 65.

7. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Повышение эффективности подземной разработки высокогазоносных угольных месторождений на основе организации совместной добычи угля и метана. Уголь, 2003, №9. - С. 3-6.

8. Мерзляков В.Г., Линник Ю.Н., Яковлев А.Н., Бураков В.А. Перспективы развития очистного, проходческого, бурового и транспортного оборудования на период до 2020г. Сб. "Энергетическая безопасность России". Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды VII международной научно-практической конференции. - Кемерово, ЗАО КВК "Экспо-Сибирь", 2005. - С. 234-239.

9. Лебедев А.В., Рудаков В.А., Потапов П.В. Повышение безопасности горных работ на шахтах Кузбасса, разрабатывающих склонные к внезапным выбросам угля и газа пласты. Уголь, №8, 2005. - С. 91-94.

10. Решение международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов" в

рамках выставки - ярмарки "Уголь России и Майнинг 2005". Уголь, №9, 2005. С. 53.

11. Пучков Л.А., Сластунов С.В. Метанобезопасность - актуальная задача подземной угледобычи. Реальные пути решения основных проблем угольного метана. - М.: МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. Тематическое приложение «Аэрология», с. 17-29.

і— Коротко об авторах

Гурьянов В.В. - ИПКОН РАН.

------Ф

^--------

------------------------------ © Д.В. Исламов, В.О. Тайлаков,

Д.Н. Застрелов, 2006

УДК 622.8

Д.В. Исламов, В.О. Тайлаков, Д.Н. Застрелов

ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗВИТИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА В УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ

рогнозные ресурсы метана в угольных пластах п П угольных бассейнов России