Снижение эмиссии угольного метана при разработке газоносных пластов

УДК 622.2 М.В. Шмидт

СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ

Экологические проблемы сохранения озонового слоя и глобального потепления климата требуют эффективного снижения уровня эмиссии парниковых газов, поступающих в атмосферу в результате производственной деятельности Человечества. В перспективном прогнозе Мировой теплоэнергетики ожидается возврат к такому топливу, как ископаемый уголь. При этом конкурентоспособность твердого топлива в значительной мере определяется требованиями к экологичности разработки углегазовых месторождений, в частности - к уровню выбросов парникового газа метана. По степени негативного влияния в ряду парниковых газов метан занимает второе место, после углекислого газа. В структуре общей эмиссии парниковых газов метан разрабатываемых угольных месторождений составляет 3-4 %. Однако, в антропогенной эмиссии метана, в частности в Республике Казахстан, до 30 % представлено угольным метаном. Этот газ выделяется локально, что позволяет управлять его эмиссией путем обеспечения требуемого уровня утилизации. Необходимо отметить, что угольный метан заключен в природном сорбенте и отличается высокой химической чистотой. Это обуславливает возможность его энергетического использования и химической переработки в весьма ценные продукты. Извлечение метана из углегазовых месторождений, не связанное с подземной добычей угля, проблематично. В Карагандинском угольном бассейне на стадии геологоразведочных работ и в процессе ведения горных работ на шахтах до настоящего времени не обнаружены промышленно значимые поступления газа из локальных скоплений не техногенного происхождения. Эмиссия шахтного метана обусловлена его извлечением средствами вентиляции и дегазации, причем ее величина достигает 25-40 м3 на тонну добытого угля. Оценка эмиссии метана, исследования газового баланса очистных забоев и

структуры извлекаемых метановоздушных смесей выполнены для условий шахт Карагандинского угольного бассейна. При анализе рассмотрено извлечение метана вентиляционной сетью шахты; предварительной (пластовой) дегазацией подготавливаемых выемочных участков; из коллекторов, формирующихся в выработанном пространстве, и при заблаговременной дегазационной подготовке. Обобщенные данные исследований газового баланса, проведенных на полях шахт им. Ленина, им. Костенко, «Саранская» и «Абайская», представлены в табл. 1.

С ростом нагрузки на очистной забой резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков. При нагрузке на лаву до 2000 т в сутки газообильность участка составляет 40-50 м3 в минуту, при нагрузке на лаву в 3000 т в сутки она повышается до 6070, а при нагрузке свыше 4000 т в сутки достигает 100 м3 в минуту. Достигнутая в настоящее время высокая эффективность комплексной дегазации в значительной мере обусловлена извлечением газа из выработанного пространства. Эффективность дегазации выработанного пространства лавы подземными куполовыми скважинами в условиях отработки пласта к]0 на шахте им. Костенко, составляет до 54 %. Исследованиями извлечения газа вертикальными скважинами с поверхности из коллектора, формирующегося в выработанном пространстве, при отработке столбов по падению в условиях пласта д6 на шахте им. Ленина установлено, что эффективность этого способа дегазации выработанного пространства составляет 60-70 % при обеспечении стабильного дебита метана на уровне 18-20 м3/мин с кондиционным содержанием газа в извлекаемой смеси (50-80 %). Извлечение метана из выработанного пространства очистного забоя, при комплексных схемах дегазации, включающих вертикальные скважины с поверхности; подземные куполовые скважины и дренаж газа из-за перемычек обеспечивает эффективность дегазации до 75 %.

В основу снижения эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений нами заложены принципы управления газовым балансом шахты на всех стадиях ведения горных работ, включая заблаговременную дегазационную подготовку угольных пластов. Перераспределение газового потока между вентиляционной и дегазационной сетями шахты позволяет управлять снижением эмиссии парниковых газов. В табл. 2 приведена сравнительная характеристика

Таблица 1

Исследования газового баланса при комплексной дегазации

Шахта, лава Нагрузка, т/сут Съем вентиляцией м3/мин Съем дегазацией, м3/мин Эффективность комплексной дегазации, %

Выраб. пр-во Пласт. скв. ГРП

Костенко 28-к10 -Ю 1500-1800 10-12 14-16 - - 53-58

Им. Ленина 303-д6-1В 1900-2100 15-16 16-18 5-6 5-6 63-70

Абайская 321-к10 -С 2100-2800 9-11 40-50 4-5 - 65-80

Саранская 62-к10-1В 3600-5600 24-30 60-68 4-6 - 60-75

Таблица 2

Характеристики извлечения шахтных метановоздушных смесей

Параметры Ед. изм. Шахтные метановоздушные смеси, извлекаемые:

Вентиляцией Дегазацией

Концентрация метана в смеси % 0,10 - 0,25 10 - 98

Энергетическая ценность 1 м3 МДж 0,03 - 0,09 3,6 -35,2

Затраты на извлечение 1000 м3 газа: в т.ч. летом у. е. 31,2 17,9 37,70

44,5

Условное увеличение: объема транспортирования смеси 1000 10-1

диаметра трубопроводов 30 3 - 1

оборудования транспортировки 10 2-1

оборудования переработки 4-5 1

метановоздушных смесей, извлекаемых вентиляцией и дегазацией угольных шахт. Из анализа видно, что усредненные затраты на извлечение одного м3 метана этими системами обес-печения метанобезопасности в стоимостном отношении отличаются несущественно. В связи с низкой концентрацией метана в исходящей струе шахт, составляющей 0,10-0,25 % сжигание этого газа осложнено громоздкостью оборудования, требует применения катализаторов или специальных способов обогащения этих смесей. Наиболее эффективна утилизация высококонцентрированных метановоздушных смесей (МВС), извлекаемых средствами дегазации. Необходимость заблаговременного извлечения метана из газоносных и выбросоопасных пластов имеет ряд аспектов. Важнейшим аспектом является метановая проблема подготовительных выработок. До 40 % метана, заключенного в угольном пласте, выделяется при его дренаже подготовительными выработками. Эффективное снижение уровня этого метано-выделения в атмосферу шахты на современных глубинах разработки возможно только за счет заблаговременного извле-чения метана из угольного пласта. Другим важным аспектом является обеспечение метанобезопасности очистных забоев. Даже при эффективных схемах проветривания забоя и дегазации выработанного пространства, метанобезопасность угледобычи с нагрузкой на очистной забой свыше 4-5 тыс. т в сутки требует заблаговременного снижения газоносности пласта на 5-8 м3/т. Заслуживает внимания и аспект газодинамической активности угольных пластов. В практике предотвращения выбросоопасности на шахтах Карагандинского бассейна в настоящее время доминирующей является технология, основанная на бурении опережающих скважин. При безусловной эффективности этой технологии, процесс бурения опережающих скважин сопровождается интенсивным газовыделением, вызывающим загазирование забоев. В зонах заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) величина этого газовыделения снижается на 60-80 %. Два последних аспекта достаточно известны и

рассмотрены в работах таких ученых МГГУ, как профессоры Ножкин Н.В, Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А., Сластунов С.В., Коликов К.С., а так же в работах Карагандинцев - Ахметбекова Ш.У., Тонких В.И., Швеца И.А., и других.

Таблица 3

При обосновании экологического аспекта необходимости заблаговременной дегазации газоносных пластов разработана методология и уточнены формулы аналитического расчета структуры газового баланса шахты по источникам извлечения и выделения метана из различных техногенных коллекторов, отличающиеся учетом таких факторов, как требуемые нагрузка на очистной забой и снижение газоносности угольного пласта. Для условий пласта д6, проанализированы три варианта управления газовым балансом шахты и эмиссией парниковых газов с извлечением метана из целенаправленно формируемых техногенных коллекторов и утилизацией МВС (табл. 3): без дегазации, дегазация выработанного пространства (ДВП); заблаговременная дегазационная подготовка (ЗДП) с дегазацией выработанного пространства лавы (уровень заблаговременного съема метана 5 и 8 м3/т). Абсолютная газообильность при нагрузке на выемочный участок 4000 т/сут составляет 93,6 м3/мин, а относительная - 33,7 м3/т. Средствами дегазации извлекается при втором и третьих вариантах соответственно: 36; 54 и 62 % метана выделяющегося на угольной шахте. Таким образом, снижение эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений достигается направленным перераспределением газового баланса шах-

ты путем увеличения доли утилизируемого потока метана за счет его заблаговременного извлечения.

Использование заблаговременной дегазационной подготовки пластов в сочетании с извлечением метана из куполов обрушения, наряду с обеспечением метанобезопасности горных работ, может позволить довести конечный уровень извлечения и использования метана до 60-70 % от общего метановыделения в процессе работы шахты. При этом заблаговременный съем метана должен составлять 6-8 м3/т.

В Казахстане уровень эмиссии угольного метана за период с 1990 по 2002 год снижен с 62,9 до 34,1 млн т в эквиваленте СО2. В основном это обусловлено реструктуризацией угольной отрасли. Однако при этом доля шахтного метана в его общей эмиссии снижена с 26 до 13,5 %. За это же время доля эмиссии метана, выделяющегося при открытой добыче угля возросла с 12,7 до 15 %.

Возможности заблаговременной дегазационной подготовки по снижению эмиссии метана при открытой добыче угля рассмотрим на примере уникального Экибастузского бассейна, где разрабатываются сближенные пласты 1-3 суммарной мощностью свыше160 м и глубиной залегания до 700 м. Экибастузский бассейн представляет собой асимметричную мульду, вытянутую на 12 км, при максимальной ширине 6 км. Газоносность угольных пластов на глубине 500-700 м достигает 20 м3/т угля. По данным геологоразведочных работ прогнозные значения ресурсов метана в Экибастузском бассейне оцениваются величиной порядка 75 млрд м3. Форма месторождения предопределяет постоянную углубку горных работ от периферии к центру. Глубина действующих разрезов «Богатырь» и «Северный» составляет 200-210 м, что значительно ниже зоны газового выветривания.

Угольный массив под рабочими бортами разрезов разгружен от горного давления и в значительной мере дегазирован. Основные направления миграции метана из подрабатываемого массива могут быть перекрыты скважинами гидрорасчленения, располагаемыми по фронту подвигания рабочего борта разреза на расстоянии 100250 м от верхнего породного уступа. При таком расположении часть метана извлекается заблаговременно. При разгрузке созданного техногенного коллектора надвигающимися горными работами на пути миграции метана с помощью вакуумирования может быть создан своеобразный барьер. Причем скважины ГРП нужно исполь-

зовать и после их подсечения породными уступами. В настоящее время разработан Пилотный проект, на 3 скважины гидрорасчленения на участке разреза «Северный», предназначенный для изучения газоотдачи пластов 1-3 Экибастузского бассейна. Обоснованы параметры заложения скважин, которые определяются производством процесса гидрорасчленения в нетронутом угольном массиве.

В настоящее время управление газовым балансом со снижением уровня эмиссии парниковых газов внедряется на шахте «Казахстанская» УД АО «Миттал Стил Темиртау». Здесь функционирует комплекс из 15 скважин ЗДП.

Работа этого комплекса позволила обеспечить заблаговременное извлечение 32 % метана, от его общего съема дегазационной сетью шахты. Скважинами ЗДП ежегодно извлекается и утилизируется факельным сжиганием около 2,2 млн м3 метана. При этом снижение эмиссии в пересчете на эквивалент СО2 составляет 28,6 тыс. т.

Повышение экологической и промышленной безопасности разработки углегазовых месторождений открытым и подземным способом достигается направленным перераспределением газового баланса путем увеличения доли утилизируемого потока метана в дегазационную сеть за счет его заблаговременного извлечения. Причем уровень снижения эмиссии метана определяется величиной его заблаговременного съема.

Коротко об авторах -----------------------------

Шмидт М.В. - кандидат технических наук, НТЦ «Комир».

ЧГ