CC BY
84
-4n ^------------
------------- © А.С. Сухоченков, 2006
УДК 622.86
А.С. Сухоченков
АНАЛИЗ РАБОТ ПО ДОБЫЧЕ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Дефицит нефти и природного газа, являющихся основными энергоресурсами в мире, неизбежен в ближайшее десятилетие, что приведет к необходимости использования других энергоносителей, к числу которых следует отнести, в первую очередь, уголь [15], а также метан угольных месторождений, главным образом, метан угольных шахт, попутно добываемый с углем средствами дегазации [16]. Этот метан может быть использован взамен природного газа, прежде всего, теми потребителями, которые расположены в угледобывающих регионах, это позволит существенно уменьшить расходы на доставку газа, снизить за счет использования каптируемого метана себестоимость подземного производства угля и объемы вредных выбросов в атмосферу [14].
Динамика добычи угля и метана в угольных шахтах стран с высокоразвитой угольной промышленностью - Германии, Великобритании, Бельгии, Австралии, Китае, Польше и США
- свидетельствует о непрерывном росте объемов каптируемого метана. Добыча высококондиционного химически чистого метана (95 % и более) для использования в химической, биохимической промышленности, объектах энергетики, а также в качестве моторного топлива - актуальная задача сегодняшнего дня.
Газоносные угольные месторождения считаются нетрадиционными источниками углеводородных газов. Угольный метан в пересчете на условное топливо занимает 3-4 место в мире после угля, нефти и природного газа.
Угольный метан во многих странах мира, в том числе и в России, рассматривают в качестве компонента топливноэнергетической сырьевой базы. Предполагаемые ресурсы метана угольных пластов во всем мире достигают 260 трлн м3 [20]. В России прогнозные ресурсы метана угольных месторождений оценивают по различным источникам в пределах 50-80 трлн м3, что близко к запасам традиционных газовых место-
Таблица 1
Прогнозные ресурсы метана в угольных пластах основных бассейнов и месторождений России, млрд м3
Бассейн, ме- Всего В том числе В том числе
сторождение на полях действующих шахт на разведываемых, перспективных для разведки участках и поисковооценочных площадях на верх- н нем этаже бассейнов, до глубины 1200 м. а нижнем таже бас ейнов, на глубине 1200 -1800 м.
Кузнецкий 13085 212 12873 7448 5637
Печорский 1942 26 1916 1260 682
Донецкий (в том числе Восточный Дон- 1178 (97) 495 (2) 683 (95) - -
басс) Бурененский 105 25 80 101 4
Апсатское 55 55 - 55 -
Сахалинский 47 5 42 45 2
Партизанский 23 8 15 15 8
Южно- 920 3 917 847 73
Якутский Зырянский 99 99 98 1
ВСЕГО: 17551 831,9 16720 9869 6407
Тунгусский* 20000 - - - -
Ленский* 6000 - - - -
Таймырский* 5500 - - - -
ВСЕГО: 49051 - - - -
* В связи со слабой геологической изученностью этих бассейнов оценка количества метана в угольных пластах имеет ориентировочный характер.
рождений страны (табл. 1). Наиболее доступными для извлечения ресурсами угольного метана являются те, что заклю-
чены в пластах угля на действующих шахтных полях [9]. В запасах углей категории А + В + С1 действующих шахт РФ содержится 260 млрд м3 метана, а в промышленных запасах -160 млрд м3. Четвертая часть таких объемов метана, возможных для извлечения с помощью существующей в России технологии ведения дегазационных работ, составляет 40-65 млрд м3, пренебрегать которыми с экономической и экологической точек зрения преступно. Экономия от использования каптированного метана может составить 1,6-2,6 млрд долларов США (при цене каптированного газа 40 долларов США за 1000 м3) [8]. Следовательно, основные угольные бассейны необходимо рассматривать как газоугольные и предусматривать при их освоении добычу не только угля, но и метана.
Достоверность данных о ресурсах угольного метана является определяющим фактором при разработке проектов на извлечение и использование шахтного метана. Однако, анализ известных методик для прогноза ресурсов и запасов метана свидетельствует о значительных расхождениях в данных прогноза [17].
В недрах Российской федерации залегает значительная часть мировых запасов угля, обеспечивающая долговременную перспективу его использования. Добыча угля по ресурсосберегающей технологии и комплексное использование месторождений позволяют в свою очередь попутно получать и использовать один из нетрадиционных источников энергетических ресурсов - метан угольных месторождений, который является наиболее доступным и дешевым резервом среди других ныне известных нетрадиционных источников горючих газов.
Современное развитие горнодобывающей промышленности должно идти по безопасной ресурсосберегающей и экологически чистой технологии. В этом плане на первое место выдвигается необходимость обеспечения безопасности разработки газоносных угольных пластов с извлечением метана из угленосной толщи и обязательным его использованием как энергетического топлива, а также как химического сырья. Это позволит сэкономить значительное количество угля, что даст в свою очередь и экологический, и экономический эффект: только 1 млн. м3 метана может заменить 1300 т. угля. В этих
условиях проблема более полного использования угольных месторождений приобретает конкретное существенное экономическое значение [3].
Извлечение метана из угольного массива и его использование одновременно обеспечивает решение нескольких важных задач:
- снижение риска возникновения внезапных выбросов, взрывов метана и создание за счет этого безопасных условий труда шахтеров;
- обеспечение высокой нагрузки на очистные забои по газовому фактору;
- получение экономической выгоды от использования метана как природного экологически чистого энергоносителя;
- снижение негативного воздействия на атмосферный воздух и озоновый слой [2].
Проблема безопасного и эффективного ведения горных работ на газоносных угольных шахтах сформировалась много десятилетий назад, но особенно обострилась в последнее время в связи с углублением шахт и интенсификацией производственных процессов, при этом резко возросла природная газоносность разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород и соответственно газообильность шахт.
В настоящее время технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35-50 % ниже, чем негазовых шахт в аналогичных горно-геологических условиях. Доля затрат на управление газовыделением (вентиляция и дегазация) в себестоимости добычи угля достигает 25 % [4].
Необходимость обеспечения безопасности ведения горных работ комментариев не требует. Но кроме этого высокая газообильность шахт является одним из основных факторов, сдерживающих повышение эффективности добычи угля.
На особо опасных по газу и пыли шахтах нагрузка на очистной забой, как правило, в 1,5-2 раза ниже, чем на других шахтах. Нагрузка на уровне 1500-2000 т/сут. может быть достигнута в таких шахтах при эффективности дегазации 35 - 40%.
В газообильных забоях добыча 5-7 тыс. т/сут., которая предусматривается всеми программами реструктуризации отрасли, может быть обеспечена только при надлежащей дегазации с эффективностью на уровне 50-60 %. Так, доля ограниче-
ния производительности очистного оборудования по газовому фактору в действующих лавах составляет около 15 % при нагрузках 1200-1500 т/сут., а при нагрузках 3000 т/сут. достигает 35 % [3].
Метан угольных бассейнов как полезное ископаемое в настоящее время оценивают с двух принципиально различных позиций, отражающих его двойственную геологоэкономическую сущность:
- метан как самостоятельное полезное ископаемое, добыча которого может осуществляться самостоятельно газовым промыслом (независимо от добычи угля) по принципу экономической целесообразности (рентабельности) и потребности в газе;
- метан как попутное полезное ископаемое, извлечение которого осуществляется средствами шахтной дегазации при добыче основного полезного ископаемого - угля, при технологически необходимой дегазации пластов для обеспечения газобезопасности.
В условиях углепромышленных районов при обосновании целесообразности оценки ресурсов метана основным критерием определения его промышленного назначения как попутно добываемого топлива является технологическая необходимость (для снижения выбросоопасности и обеспечения газобезопасности) и возможность дегазации скважинами, пробуренными с поверхности или из подземных выработок. Необходимость дегазации высокогазоносных угольных пластов и скоплений свободных газов в породах предопределяется также рентабельностью извлечения из них метана и его использования. В этом заключается принципиальное отличие попутно извлекаемого метана от других попутных (и сопутствующих) полезных ископаемых, добыча которых должна быть экономически оправданна.
Критериями промышленной значимости ресурсов метана угольных пластов для самостоятельной коммерческой добычи (не зависимой от добычи угля) является рентабельность добычи, которая предопределяется глубинами освоения, газоносностью и фильтрационными свойствами пластов, а главное технологией добычи.
Метан угольных пластов как самостоятельное полезное ископаемое может добываться наземными скважинами независимо от добычи угля на площадях, где пока не ведется и не планируется угледобыча:
- на разведанных и пока не разрабатываемых площадях, смежных с действующими шахтами;
- на нижних горизонтах бассейнов, не доступных в настоящее время угледобыче;
- на новых разведанных газоносных угольных месторождениях, не подлежащих освоению угольной промышленностью в ближайшей перспективе;
- на разведываемых и поисково-оценочных площадях.
Определение перспектив, эффективности и рентабельности самостоятельной коммерческой добычи метана из угольных пластов углегазовым промыслом должно базироваться на всестороннем учете совокупного воздействия всех региональных и локальных геологических факторов и свойств углей.
Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается всем ходом развития углегазовых промыслов в США. За счет крупных инвестиций в добычу метана из угольных пластов компаниями были развернуты широкомасштабные работы. Так в 1990 году было получено 5 млрд. м3 метана, в 1992 - 15 млрд м3, в 1993 - 21 млрд м3, в 1995 - 25 млрд м3 [6], что составило около 5% добычи традиционного газа в США. К 2000 году планировалось довести добычу до 36 млрд м3 (по другим данным - до 50 млрд м3).
Анализируя объем добычи метана в США в 21 млрд м3 за 1993 год, нельзя не обратить внимание на то, что почти весь метан был добыт практически в двух бассейнах. Из них определяющая часть добыта в бассейне Сан-Хуан - 17 млрд м3 и 2,9 млрд м3 - в бассейне Блэк Вэрриор. Основные инвестиции при этом были вложены в добычу метана в бассейне Сан-Хуан [7].
На американских шахтах с высокой природной газоносностью угля применение средств дегазации обеспечивает производительность очистных забоев 10 тыс. т. угля в сутки и извле-
чение до 100 м3/мин. метана с последующей утилизацией 90% газа.
В Бельгии добыча метана угольных пластов в коммерческих целях продолжается на двух угольных месторождениях, эксплуатация которых прекратилась более 20 лет назад [5].
В России многолетние испытания различных способов и методов извлечения метана из ненарушенных горными работами угольных пластов, проводимые МГГУ в основном в Карагандинском бассейне, не привлекли к созданию эффективной технологии промысловой добычи метана из угольных пластов. Эти работы не вышли из стадии поиска, и их результаты пока не могут обеспечить промысловой рентабельной добычи метана.
Для освоения зарубежного опыта, создания и испытания технологий промысловой добычи метана из угольных пластов в России начаты работы по проекту «Углеметан» (в составе государственной научно-технической программы «Недра России»). В соответствии с этой программой в Кузбассе на Талдинской площади (сырьевая база которой обеспечивает широкомасштабную добычу метана) уже пробурена структурная керновая скважина глубиной 1,4 км. В ней проведен комплекс геолого-промысловых исследований, подтвердивших высокую перспективность Талдинской площади для освоения углегазовым промыслом. Рядом с этой скважиной забурена газопромысловая скважина глубиной 1,8 км, в которой намечено провести испытания существующих технологий промысловой добычи метана [1].
Анализ проводимых работ по промысловой добыче угольного метана показывает, что одной из причин, препятствующих развитию углегазового промысла в России, является отсутствие механизма экономического обоснования эффективности добычи и использования угольного метана. И, как следствие, отсутствие инвестиций в подобные проекты.
В настоящее время в России метан из угольных пластов извлекается только попутно на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими и скважины, пробуренные с поверхности [1]. Это наиболее экономичный способ добычи угольного метана [8].
В Российской Федерации на 01.08.2001 г. 73 % общего числа шахт (140 технических единиц) отнесены к опасным по метану, из них 48% шахт являются наиболее метанообильными (шахты III категории, сверхкатегорные и выбросоопасные), 22 шахты работают с дегазацией угольных пластов и выработанных пространств и 4 шахты - с газоотсосом вентиляторными установками. Дегазационными системами шахт и вентиляторными установками извлекаются 585 м3/мин. метана, что составляет 27 % выделяющегося метана в шахтах РФ или почти третью его часть в шахтах с дегазацией и газоот-сосом [8]. В промышленных целях используется лишь небольшая часть получаемого при дегазации метана [2].
В РФ коэффициент извлечения метана из угольных месторождений в последние годы не превышает 0,27: в Кузбассе он составляет в среднем 0,20, в Печорском бассейне -0,40, а по объединению шахт ОАО «Воркутауголь», где с 1975 г. используется каптируемый метан, - 0,44 [8].
В последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах системами шахтной дегазации извлекалось около 0,5 млрд. м3 метана в год, но использовалось только в Печорском бассейне 30-50 млн м3. Использование дегазационного метана затрудняется резкими колебаниями его содержания в газовоздушных смесях (при концентрации метана менее 16 % газовоздушная смесь становится взрывоопасной) и непостоянными дебитами газа в дегазационных системах [1].
В 2001 г. на 193 выемочных участках 82 газовых шахт РФ, где применялись способы дегазации и газоотсоса, выделялось
1325 м3/мин. метана (табл. 2), из которых 783 м3/мин. извлекалось дегазационными системами шахт и вентиляционными газоотсасывающими установками, то есть 59,1 % общей ме-танообильности добычных участков. При этом на 5 шахтах ОАО «Воркутауголь» каптировалось 237 м3/мин. метана, на 17 шахтах Кузбасса - 100 м3/мин. газоотсасывающими вентиляторными установками в Кузбассе извлекалось 395,3 м3/мин. метана. На долю дегазации по шахтам России приходилось 29,1 % (386,2 м3/мин.), а на газоотсос - 30 % (397,5 м3/мин.) от общей метанообильности выемочных участков,
работавших с применением средств искусственного ее снижения.
В 2002 г. На 18 выемочных участках 5 шахт ОАО «Воркутауголь», работавших с дегазацией, из сближенных пластов и выработанных пространств в среднем каптировалось 308,5 м3/мин. метана при средней метанообильности 5 шахт 631 м3/мин. На 1 т. Добытого угля извлекалось 26,8 м3 метана. Протяженность дегазационного трубопровода - 171,2 км. [14].
Анализ таблицы 1.4. показывает далеко не исчерпанные возможности дальнейшего повышения объемов каптируемого метана. В перспективе при реализации новых техникотехнологических решений [18, 19] в Кузбассе возможно трехкратное, а в Воркуте - двукратное увеличение съема метана средствами дегазации. В отдаленном будущем при реализации новейших разработок и хорошей организации дегазационных работ возможно дальнейшее повышение объемов каптируемого в шахтах метана, для чего прежде всего необходимы средства для направленного бурения сверхдлинных дегазационных скважин [10, 11] и эффективные технологии интенсификации газоотдачи неразгруженных угольных пластов в скважины [12, 13].
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Минерально-сырьевая база угольной промышленности России. В 2-х томах. Том 1 (состояние, динамика, развитие). - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1999. - 648 с.
2. Каплунов Ю.В., Климов С.Л., Красавин А.П. Экология угольной промышленности России на рубеже XXI века; Под общей ред. С.Л. Климова. - М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. - 295 с.
3. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Федунец Б.И. Перспективы добычи метана в Печорском угольном бассейне. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. - 557 с.
4. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. - 383 с.
5. Тайлаков О.В. Перспективы развития извлечения и использования шахтного метана в Кузбассе. Журнал «Уголь». Сентябрь, 1998.
6. EPA. International anthropogenic Methane Emission: Estimâtes for 1990. Report to Congress, 1994.
7. Klawitter A.L., Hoak T.E. and Docker A.D. Integrated Exploration Strategy for Locating Areas Capable of High Gas Rate Cavity Completion in Coalbed Methane Reservoirs. Integras'95, Proceedings, Tuscaloosa, Alabama. USA, May 14 - 20, 1995.
8. Забурдяев В.С. Эколого-экономические последствия выбросов шахтного метана в атмосферу земли. МГГУ. Горный информационноаналитический бюллетень. 2004. №8. С. 211 - 214.
9. Забурдяев В.С. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования. «Горный вестник». ИГД им. А.А. Скочинского, 1994, №1, с. 34 - 39.
10. Саламатин А.Г., Забурдяев В.С. Проблемы дегазации угольных пластов. «Безопасность труда в промышленности». М., 1996, №4, с. 41 - 46.
11. Зайденварг В.Е., Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Захаров В.Н. Прогноз объемов извлечения метана на полях шахт Томь-Усинского и Марасского районов Кузбасса. «Уголь», 2001, №10, с. 15 - 18.
12. Забурдяев В.С., Забурдяев Г.С. Способы интенсификации газоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях. «Современные проблемы шахтного метана». МГГУ, 1999, с. 106 - 117.
13. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах. ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, Люберцы-Макеевка, 2000, с. 117.
14. Рубан А.Д., Забурдяев В.С. Опыт извлечения и использования шахтного метана в России и ФРГ. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. №9. С. 153 - 158.
15. Рубан А.Д., Шатиров С.В., Гранин И.В. Газоугольная стратегия в то-пливообеспечении России (на период 2001 - 2003 гг.). - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. 2000. - 100 с.
16. Руководство по дегазации угольных шахт России (первая редакция). Люберцы, 2002, 216 с.
17. Забурдяев В.С. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования// Горный вестник. - 1994. - №1. с. 34 - 39.
18. Забурдяев В.С., Рубан А.Д., Забурдяев Г.С. и др. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах. - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 316 с.
19. Забурдяев В.С., Рубан АД, Сергеев И.В. и др. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах. - Люберцы-Макеевка, 2000. -117 с.
20. Кириллов Д. Газ из угля. Журнал «Газпром», 2005, №7 - 8, с. 18 - 21.
і— Коротко об авторах----------------------------------------
Сухоченков А.С. - Московский государственный горный университет.
------------------------------------------ © А.С. Сухоченков, 2006
УДК 622.86
А.С. Сухоченков
