Обоснование требований к технологии промышленного извлечения метана из выработанных пространств угольных шахт

© Н.О. Каледина, И. М. Аношина, С.Н. Молчанов, 2004

УДК 622.411.33:533.17

Н.О. Каледина, И.М. Аношина, С.Н. Молчанов

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

ноголетний опыт дегазации угольных пластов с целью борьбы с метаном и обеспечения безопасности горных работ на газообильных шахтах, а также научные исследования процессов десорбции метана из угольных пластов позволили установить основные закономерности выделения метана в горные выработки и дегазационные системы шахт. Угольные пласты в природных условиях залегания характеризуются высокой газоемко-стью и сравнительно низкой газопроницаемостью. Поэтому извлечение метана из месторождений, неразгруженных горными работами, методами, используемыми на нефтяных и газовых месторождениях, весьма трудоемко и требует существенных затрат на предварительную обработку массива с целью повышения его газопроницаемости. Но извлечение метана на полях действующих шахт одновременно с добычей угля (т.н. «попутная добыча газа») целесообразно и экономично, поскольку сама технология ведения работ обеспечивает существенное повышение проницаемости и газоотдачи угольных пластов.

Источниками извлечения метана на стадии эксплуатации шахты являются разрабатываемые пласты, сближенные пласты (спутники) и выработанные пространства. Средствами извлечения метана на данной стадии могут быть скважины любых типов, как с поверхности, так и из подземных выработок. Концентрация метана в извлекаемой смеси колеблется в значительных пределах и существенно зависит от способа и схемы дегазации, качества монтажа дегазационного оборудования и др. Дебит отдельных скважин также неустойчив. Поэтому при обосновании параметров технологии важнейшим критерием является обеспечение кон-

диционных параметров извлекаемых метановоздушных смесей.

Как показывает опыт, промысловое извлечение метана из разрабатываемых пластов целесообразно только при разработке пластов мощностью более 3,0 м. Наиболее перспективными являются технологии извлечения метана из сближенных пластов и выработанных пространств [1].

На основе анализа и выполнения сравнительной оценки различных способов дегазации и технологических схем их реализации, с точки зрения эффективности промышленного извлечения шахтного метана, можно сформулировать основные требования к технологии извлечения метана из выработанных пространств угольных шахт.

Требования к качеству извлекаемых метановоздушных смесей определяются технологией утилизации метана и колеблются в значительных пределах как по дебитам (1,5-15 м3/мин и более), так и по концентрациям (0,580 % и более).

Принципиальные требования к технологиям извлечения метана на шахтных полях из массива, разгруженного горными работами, сводятся к следующим:

- обеспечение метанобезопасности ведения работ по добыче угля за счет необходимого снижения газообильности горных выработок, обеспечивающего планируемую производительность добычи угля, и предотвращения зага-зирований шахтной атмосферы;

- обеспечение кондиционных дебитов газовоздушных смесей за счет создания системы контроля и управления дебитами и концентрациями метана в системе трубопроводов; создания системы подготовки извлекаемых метано-

*Исследования проводятся при финансовой поддержке Минобразования РФ: грант ТО 2-04.1-3509

Наименование показателя Источник метана

Разрабатываемые пласты Сближенные пласты

Средний дебит метана, м3/мин До 3,0 16-20 10-17 -

Концентрация метана на устье скважины, % 95-100 80-90 10-80*° -

Концентрация метана на ВНС, % 35-45 35-40 8-70*-1 25-40

Радиус влияния скважины, м 10-15 От 20-25 до 140-260*-1 80-120 -

Коэффициент дегазации, % 15-30 35-40 35-60 (до 95*)) 60-90

*'' при дегазации скважинами с поверхности-

воздушных смесей для подачи потребителю; минимальной длины трубопроводов с целью повышения степени их герметичности и уменьшения подсосов воздуха в систему (снижения степени разубоживания метана); аэродинамического управ-ления распределением метана в объеме выработанного пространства; надежной изоляции отработанных полей от действующих горных выработок и др.

- окупаемость затрат на производство работ по извлечению и сбыту метана за счет выбора оптимальных параметров технологических схем с учетом закономерностей поступления метана в дегазационные скважины;

- безопасность работ как с точки зрения устойчивости и безаварийного функционирования всего технологического комплекса системы добычи газа, так и с точки зрения обеспечения санитарно-гигиенических и экологических нормативов.

Наиболее рациональные технологии извлечения метана должны выбираться с учетом основных факторов, определяющих эффективность дегазации. Основные показатели извлечения метана по источникам его выделения из разгруженного горными работами массива приведены в таблице.

Так, установлено, что для дегазации разрабатываемых пластов наиболее рациональными являются комбинированные схемы с разнонаправленными скважинами. Для сближенных пластов -при глубинах разработки до 400-450 м, - скважинами с поверхности, при больших глубинах -подземными скважинами из поддерживаемых выработок смежных пластов. Для выработанных пространств - при глубинах разработки до 400450 м скважинами с поверхности, при больших глубинах - подземными скважинами из выработок, сохраняемых на контакте с выработанным

пространством (фланговые, вентиляционные, дренажные и др.) в сочетании с оптимальными аэродинамическими режимами.

Выработанные пространства угольных шахт представляют собой естественные коллекторы метана, выделяющегося из угольных пластов и вмещающих углесодержащих пород при выемке угля, сопровождающейся разгрузкой всей угленосной толщи пород.

Скопления метана в зонах обрушений представляют собой, с одной стороны, опасность загазирования действующих выработок или объектов на поверхности - в случае закрытия шахт и прекращения горных работ, а, с другой стороны, концентрированный метан угольных пластов является нетрадиционным энергоресурсом, который при условии его извлечения может быть эффективно использован в промышленности не только как местный источник топлива для электростанций или коммунально-бытовых нужд шахты, но и для заправки автомобилей, а также в качестве ценного химического сырья.

Условия накопления метана в выработанных пространствах и выноса его утечками в горные выработки и на поверхность определяются рядом природных и технологических факторов, важнейшая роль при этом принадлежит аэродинамическим факторам. Управление этим процессом путем направленного изменения аэродинамических параметров выработанных пространств является одной из важнейших проблем обеспечения метанобезопас-ности угольных шахт и рационального использования природных энергоресурсов как при эксплуатации месторождений, так и после закрытия шахт.

Объемы выделения метана из отработанных шахтных полей достаточно велики. По

предварительной оценке возможные объемы добычи метана на шахтных полях наиболее освоенных угольных бассейнов - Печорского и Кузнецкого - могут достигать 1200-1800 млн м3 в год [2]. В странах с развитой угольной промышленностью (США, Великобритания, Франция, Германия) также широко применяется отсос газа из выработанных пространств шахт, прекративших горные работы. Эти работы в Германии, например, позволили за 10 лет (с 1990 по 2000 гг.) снизить количество выбросов метана в атмосферу на 45,3 %, что в абсолютных единицах соответствует 2,388 млн т.

Из общего количества метана, выделяющегося в атмосферу в результате ведения работ по добыче угля (примерно 978 млн м3/год), около 35 % извлекается из действующих и выбывших из эксплуатации шахт средствами дегазации, из этого объема около 70 % (230240 млн м3/год) используется в промышленности и для бытовых нужд населения.

Все это свидетельствует о том, что при достаточно обоснованном развитии попутной добычи газа из угольных месторождений, угольный метан способен обеспечить существенный прирост добычи газа в стране.

1. Пучков Л.А., Ярунин С.А., Красюк Н.Н. Дегазация и добыча метана угольных месторождений. Доклад на 3-м международном симпозиуме по планированию горных работ, Стамбул, 1994 // Горный информационно-

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

аналитический бюллетень, вып. 1. - М.: Изд-во МГГУ, 1995.

2. Золотых С.С., Карасевич А.М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейне. - М.: Изд-во «ИСПИН», 2002.

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

Каледина Нина Олеговна — профессор, зав. кафедрой Аношина Ирина Михайловна — инженер-программист, Молчанов Сергей Николаевич - ассистент, Московский государственный горный университет.

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕРАСИМОВ Андрей Владимирович Инженерно-геологическое обеспечение буровзрывных работ при открытой разработке месторождений железистых кварцитов 25.00.16 к.т.н.

ЛЕБЕДЕВ Сергей Владимирович Повышение эффективности работы тормозных систем шахтных подъемных установок с асинхронным приводом 05.05.06 05.09.03 к.т.н.

ЛЕВЧЕНКО Александр Николаевич Прогнозирование надежности комбинированных обделок канализационных тоннелей и обоснование их конструктивных параметров 25.00.22 к.т.н.