Извлечение и использование шахтного метана - основа рациональной разработки угольных месторождений

- © C.B. Сластунов, K.C. Коликов, Г.Г. Каркашадзе,

Г.П. Ермак, 2014

УДК 622.8

С.В. Сластунов, К.С. Коликов, Г.Г. Каркашадзе, Г.П. Ермак

ИЗВЛЕЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАХТНОГО МЕТАНА - ОСНОВА РАЦИОНАЛЬНОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ*

Рассмотрена проблема снижения эмиссии метана в окружающую среду при разработке газоносных угольных пластов. Технологии использования угольного метана имеют энергетические, экономические преимущества, а также связанные с вопросами безопасности угледобычи и экологии. Тенденция повышения нагрузок на очистной забой связана с развитием технологий дегазации и экономически выгодного использования метана. Передовой мировой опыт использования шахтного метана, а также динамика потребления топлива показывают, что в ближайшем будущем следует ожидать развитие технологий сепарации газов с получением чистого метана для потребления в быту и на энергетических предприятиях. Ключевые слова: шахтный метан, экология, безопасность угледобычи, энергетическое использование метана.

В последние годы в мире резко возросло внимание к проблемам метана вообще, особенно к его эмиссии в атмосферу. За 100-летний период метан в 23 раза более мощно проявил себя как парниковый газ, чем основной эмиттер - диоксид углерода. На протяжении последних двух веков концентрация метана в атмосфере более чем удвоилась, преимущественно благодаря антропогенной деятельности. На долю метана в настоящее время приходится 16% от глобальной эмиссии парниковых газов, связанной с человеческой деятельностью.

Вопрос снижения эмиссии метана имеет энергетические, экономические преимущества, а также преимущества связанные с вопросами безопасности угледобычи и охраны окружающей среды [1, 2]. Во-первых, метан - сильнодействующий парниковый газ с коротким периодом жизни в атмосфере, поэтому снижение его эмиссии может повлечь значительный и сравнитель-

но быстрый эффект. Кроме того, метан является основной составляющей природного газа. Следовательно, извлечение и утилизация метана обеспечивает получение ценного, чистого энергетического ресурса, который способствует повышению качества и уровня жизни общества, получения дополнительного дохода.

Производство энергии из извлеченного метана также позволяет избежать использования таких высоко эмиссионных энергетических ресурсов, как дерево, уголь и мазут. Это может снизить выделение эмиссии С02 и других загрязнителей воздуха от электростанций, таких как сернистый ангидрид (основной инициатор кислотных дождей), микрочастиц (провоцирующих поражение органов дыхания), других опасных загрязнителей. Улавливание метана на угольных шахтах позволяет повысить безопасность за счет снижения риска взрывов метановоздушной смеси в угольных шахтах.

* Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания МГГУ

Опыт Англии, Германии, Франции, Бельгии и ряда других стран показал, что интенсивность и объемы извлечения метана из выработанных пространств закрытых шахт и отработанных горизонтах настолько велики, что использование его в качестве источника энергии экономически оправдано.

Снижение темпов роста добычи нефти, проблемы развития газовой промышленности, усиление негативного отношения к атомной энергетике при более быстром росте потребления теплоэнергоносителей создают благоприятную перспективу для угольной промышленности. Имевшее место падение добычи угля в странах СНГ, связанное с изменениями экономических отношений и обшим падением производства, являлось временным этапом. Перспективы отрасли связаны с достижением нагрузок на лаву более 500010 000 т/сут, что позволяет применяемая техника и технология добычи. Однако в этом случае резко обостряются проблемы воспроизводства фронта очистных работ и безопасности, т.к. практически исчерпаны возможности вентиляции. Доля ограничения производительности очистного оборудования по газовому фактору с ростом нагрузки соответственно возрастает. Затраты на дегазацию изменяются по бассейнам, достигая на ряде шахт 10 и более процентов себестоимости добычи угля. Снижаются темпы проведения подготовительных выработок, которые в ряде случаев (например, на выбро-соопасных пластах) не превышают 2040 м/мес, в то время как подвигание очистных забоев при нагрузке 5000 т/ сут составляет в зависимости от горногеологических условий 140-180 м/ мес. Анализ опыта дегазации и утилизации шахтного метана показывает, что данные работы не только являются необходимой составляюшей технологии разработки угольных месторождений с точки зрения безопасности, но и

экономически окупающейся, особенно с учетом прироста добычи угля за счет снижения ограничения по газовому фактору [3].

Метан, содержащийся в угольных месторождениях, является не только одной из главных опасностей при их разработке, но и представляет значительный интерес как сырьевой ресурс, хотя его энергетическая составляющая не превышает 2-5% запасов угля. В последний период времени все большее внимание уделяется экологическим проблемам и, в частности, сокращению выбросов парниковых газов, среди которых второе после углекислого газа занимает метан. Уже сейчас для стабилизации содержания парниковых газов необходимо сокращение выделения метана в атмосферу примерно на 15%. Его прямой радиационный эффект в 11 раз выше по сравнению с углекислым газом. Кроме непосредственного участия в парниковом эффекте, метан способствует разрушению озонового слоя, т.к. в стратосфере реагирует с гидроксиль-ными радикалами, которые являются основными компонентами, дезактивирующими многие соединения, в том числе фторхлоруглероды, разрушающие озоновый слой. По влиянию на потепление климата 1 тонне С02 эквивалентен 71,5 м3 метана. Среди антропогенных источников метана с точки зрения сокращения эмиссии в атмосферу наибольший интерес представляют компактно расположенные, концентрированные источники, т.е. нефтегазовые и угольные системы.

На современных глубинах разработки газоносность угольных пластов достигает 25-30 и более м3/т, в ряде случаев большой вклад в формирование газового баланса вносят породы, газоносность которых достигает 4-6 м3/т. При перспективном планировании дегазации добычных участков с нагрузками 5000-10 000 т/сут сле-

дует ориентироваться на газообильность участка на уровне не менее 4050 м3/т и лавы - 15-20 м3/т. В этом случае абсолютная газообильность участка превысит 180-230 м3/мин, средствами вентиляции может быть удалено не более 40 м3/мин метана при сечении выработки 16 м2. Коэффициент дегазации разрабатываемого пласта должен превышать 40-60%, а участка - 80-85%. Из способов предварительной дегазации такую эффективность может обеспечить только комплексная дегазация с использованием пластовых скважин в зонах заблаговременного извлечения метана.

Эффективное извлечение угольного метана является необходимым технологическим условием применения высокопроизводительной техники и технологии разработки угольных месторождений, а также обеспечивает условия для комплексного освоения ресурсов и снижения экологической нагрузки на окружающую среду.

0тносительно высокая эффективность дегазации была достигнута на шахтах Воркутинского месторождения (до 60%), на шахтах Карагандинского бассейна средняя эффективность дегазации составляет около 50%. В этих же бассейнах наиболее успешно решаются и вопросы утилизации шахтного метана, доля которого соответственно составляет на уровне 50 и 30% от каптируемого. Однако следует подчеркнуть, что основной объем извлекаемого метана приходится на текущие способы дегазации, обеспечивающие дегазацию разгруженного массива. В этом случае часто возникает разрыв между ведением очистных и дегазационных работ, что отрицательно сказывается на безопасности горных работ. В перспективе с ростом нагрузок эта диспропорция будет только усиливаться и приведет к значительному снижению безопасности горных работ. Выходом в этом случае является первоочередная отра-

ботка заблаговременно дегазированного угольного пласта, обеспечивающего максимальную разгрузку свиты, с последующим извлечением метана через скважины заблаговременной и текущей дегазации. При заблаговременной дегазации обеспечивается извлечение метана с концентрацией 95-98%. Съем достигает 50-60% содержащегося в пласте метана, что обеспечивает высокие темпы и безопасные условия ведения очистных и подготовительных работ. Большое значение для эффективного заблаговременного извлечения метана имеет устойчивость раскрываемых в процессе воздействия трещин, которая зависит в основном от глубины залегания и мощности пласта. Для мощных пластов трещины остаются в раскрытом состоянии за счет остаточных деформаций на глубинах до 550600 м. На больших глубинах необходимо их закрепление.

Для текущей дегазации в условиях Карагандинского и Кузнецкого бассейнов возможно применение как вертикальных скважин с поверхности, так и подземных на спутники. Следует отметить, что дегазация вертикальными скважинами с поверхности имеет весьма серьезный недостаток: в результате большой зоны дегазации их влияние на газовыделение в выработки значительно ниже. Кроме того для них характерна высокая стоимость бурения и повышение аварийности скважин на больших глубинах. Перспективы данного способа связаны с переходом на использование скважин сложного профиля, рабочая часть которых располагается непосредственно за границей зоны полных сдвижений и по касательной к направлению перемещения разрушенных блоков, но в пределах зоны разгрузки. В Воркуте из-за большой глубины и климатических условий основным способом дегазации являются - подземные скважины на пласты-спутники. Эти способы обеспечивают

извлечение метановоздушной смеси с устойчивой концентрацией метана более 40%. Современное состояние техники и технологии позволяет уже сейчас достаточно успешно решить вопросы использования метана.

В нашей стране основной проблемой в этом вопросе является слабая экономическая заинтересованность угледобывающих предприятий в использовании шахтного метана.

Анализ способов дегазации с точки зрения обеспечения необходимой эффективности при извлечении кондиционной смеси показывает, что наиболее перспективными являются те способы дегазации, которые предусматривают повышение проницаемости пласта:

• пластовыми скважинами в зонах гидродинамического воздействия;

• подземными скважинами на спутники, использующие эффект разгрузки;

• скважинами сложного профиля;

• заблаговременное извлечение с использованием различных видов активного воздействия на угольный пласт.

В странах СНГ каптированный газ в основном используется в качестве топлива в шахтных котельных. Затраты на перевод котла с твердого топлива на газ окупаются за срок не более 1,5-2 лет. При переводе котла с угля на газ снижается не только выброс вредных веществ в атмосферу, но и сокращается удельное выделение углекислого газа. Следует отметить, что данный способ, несмотря на свою простоту, не является наиболее эффективным. 0пыт использования шахтного метана за рубежом, результаты научно-исследовательских работ в нашей стране, а также динамика цен на природный газ и другие виды топлива показывают, что в ближайшем будущем следует ожидать развитие технологий сепарации газов с получением чистого метана для потребления в быту и на энергетических предприятиях. Такой путь развития вполне соответствует концепции рациональной разработки угольных месторождений.

1. Пучков Л. А., Сластунов С.В. Проблемы угольного метана - мировой и отечественный опыт и их решения // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2007. - № 4.

2. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С, Ермак Г.П. Аналитическая методика расчета допустимой нагрузки на

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

очистной забой по газовому фактору // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 6. -С. 53-59.

3. Пучков Л.А., Сластунов С.В. 0своение углегазовых месторождений: основные технологические решения // Газовая промышленность. - 2010. - № 7(648). - С. 26-29. ЕШЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Сластунов Сергей Викторович - профессор, зав. кафедрой, e-mail: slastunovsv@mail.ru, Коликов Константин Сергеевич - доктор технических наук, профессор, e-mail: kolicovh@msmu.ru,

Каркашадзе Гиоргий Григолович - доктор технических наук, профессор, e-mail: g-karkashadze@mail.ru,

Московский государственный горный университет;

Ермак Геннадий Павлович - начальник Управления по надзору в угольной промышленности (Ростехнадзор).

UDC 622.8

METHANE RECOVERY AND UTILIZATION - THE SOUND COAL MINING FRAMEWORK

Slastunov S.V., Professor, Head of Chair, e-mail: slastunovsv@mail.ru, Kolikov K.S., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: kolicovh@msmu.ru, Karkashadze G.G., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: g-karkashadze@mail.ru, Moscow State Mining University;

Ermak G.P., Managing director, Department for Coal Mining Industry Supervision, Federal Service of Ecological, Technological and Nuclear Supervision in RF.

In focus is the reduction of the environmental emission of methane during gas-bearing coal mining. Coal methane utilization technologies offer benefits in terms of energy saving, economic effect, coal mining safety and ecological security. The face output enhancement tendency is associated with the advance of methane drainage technologies and economically sound utilization of methane. By the world's progressive experience gained in coal methane utilization and based on the fuel consumption dynamics, the technologies of gas separation and pure methane recovery for residential use and power facilities are forthcoming at an early date.

Key words: coal methane, ecology, coal mining safety, methane utilization for power production.

REFERENCES

1. Puchkov L.A., Slastunov S.V. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten, 2007, no 4.

2. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S, Ermak G.P. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, no 6, 2013, pp. 53-59.

3. Puchkov L.A., Slastunov S.V. Gazovaja promyshlennost', 2010, no 7(648), pp. 26-29.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ВОКРУГ ХРАНИЛИЩ РАО ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАБЛЮДЕНИЙ СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СПУТНИКОВЫМИ СИСТЕМАМИ

Морозов В.Н., Колесников И.Ю., Каган А.И., Пятыгнн В.А.,Татарннов В.Н., Татаринова Т.А.,

Геофизический центр Российской академии наук, e-mail: gcras@gcras.ru.

CALCULATION OF DEFORMATION PARAMETERS OF THE GEOLOGICAL ENVIRONMENT AROUND RADWASTE STORAGES OBSERVATION DISPLACEMENT EARTH SURFACE SATELLITE SYSTEMS

Morozov V.N., Kolesnicov I.Y., Kagan A.I., Pyatigin V.A., Tatatrinov V.N, Tatarinova T.A., Geophysical Center of the Russian Academy of Science, e-mail: gcras@gcras.ru.

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»