CC BY
103
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97"
МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97
I СЕМИНАР 1 " ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
М.И.Смирнов
канд. техн. наук
B.Н.Бобровников докт. техн. наук
C.П.Ганшевский
инженер “Печорниипроект ”
□ □БЫЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАНА НА ШАХТАХ ВОРКУТЫ
Воркутинский угленосный район расположен в северо-восточной части Печорского бассейна на Крайнем северо-востоке Европейской части России, за полярным кругом, в зоне тундры и вечной мерзлоты.
Угольные месторождения района открыты в 1930 году геологом Г.А. Черновым. Первая шахта заложена на Вор-кутинском месторождении в 1932 году. Интенсивное освоение месторождения начато в годы войны 1941-1945 гг.
В состав Воркутинск*ого угленосного района входят угольные месторождения: Воркутинское, Воргашорское,
Усинское, Сейдинское с балансовыми запасами 5710 млн. тонн, коксующихся и энергетических углей марок Д, ДГ, Ж, ГЖО. Воркутинский угленосный район соединен с центром России железной дорогой протяженностью 2200 км, высоковольтной линией электропередач мощностью 220 кВт, заканчивается строительство самого большого на севере России аэродрома.
В настоящее время на Воркутин-ском месторождении действует 7 шахт добывающих 9100 тыс. тонн/год угля, на Воргашорском месторождении 2 шахты добывающие 4500 тыс. тонн угля в год.
Потребителями угля являются Череповецкий, Новолипецкий, Нижнетагильский металлургические комбинаты (10 млн. т/год), Московский коксогазо-
вый завод (0,8 млн. т/год), машиностроительные заводы (1,0 млн. т/год), бытовые котельные (1,1 млн. т/год), Воркутинский цементный завод (0,14 млн. т/год), отправляется уголь в Германию, Голландию, Швецию и другие страны (1,8 млн. т/год).
На Воркутинском месторождении разрабатываются пласты Мощный ( т = 3,5-^4,5 м), Тройной ( т = 1,9 - 3,1 м), Четвертый (тср = 1,5 м), Пятый ( т =
0,7 -н 1,5 м), на Воргашорском месторождении пласт Мощный ( т - 3,5-4,5 м).
Средняя глубина разработки на Воркутинском месторождении составляет 650-800 м, на Воргашорском 200-300 м. Воркутинское месторождение представляет собой мульду длиной 34 км, шириной от 4-5 км на юге до 12-13 км на севере.
Углы падения пластов на западном крыле мульды увеличиваются с юга на север от 4° до 55°, на восточном крыле мульды углы падения увеличиваются от 6-8° на юге до 25° на севере. В центральной части мульды углы падения составляют 2-3°. Общая площадь месторождения составляет 300 км2.
Воргашорское месторождение общей площадью 1500 км2 представлено угольным пластом Мощным с углами падения в западном направлении 5-10°.
Относительная метанообльность на шахтах Воркутинского месторождения изменяется от 60 до 70 м3/т, на Воргашорском месторождении от 9 до 12 м3/т.
Угольные пласты Воркутинского месторождения с глубины 400 м опасны по внезапным выбросам угля, породы и газа, горным ударам.
На Воркутинском месторождении при общем направлении отработки пластов угля сверху вниз, в первую очередь ведется добыча по пласту Четвертому, являющемуся защитным по отношению к пластам Тройному и Пятому. Пласт Мощный разрабатывается как одиночный с применением мероприятий предотвращающих внезапные выбросы угля и газа.
На шахтах Воркуты применяется бесцеликовая система разработки длинными столбами по простиранию и падению пласта. Средняя длина очистного забоя составляет 150 м, выемочного участка 1600 м. Выемочные участки проветриваются по прямоточным схемам с подсвежением исходящей струи воздуха из очистного забоя и выпуском исходящей струи воздуха по поддерживаемой выработке на границе массив - выработанное пространство, что обеспечивает разбавление метана по источникам его выделения.
Среднесуточная нагрузка на очистные забои пластов Четвертый, Пятый составляет 800-1500 т/сут, для пластов Мощного и Тройного 1800-2500 т/сут.
Промышленная дегазация на шахтах Воркутинского угольного месторождения действует с 1956 года. Дегазационному воздействию подвергались разрабатываемые пласты и подрабатываемая угленосная толща мощностью до 80-100 м. Дегазация надрабатываемых пластов применялась редко и промышленного развития не получила из-за значительных водопритоков в нисходящие скважины.
Дегазационные скважины диаметром 96 мм и длиной до 120-150 м бурятся из горных выработок.
В зависимости от горногеологических условий применяются различные схемы заложения скважин. Скважины бурятся, как в обрушенный массив позади очистного забоя, так и впереди его, в ненарушенный углепородный массив.
Ежегодно на действующих шахтах Воркутинского угольного месторождения бурится до 45-55 тыс. м дегазационных скважин. Пробуренные скважины подключаются к системе дегазационного трубопровода диаметром 100-300 мм, в котором создается разряжение вакуум-насосами ВН-50, расположенными на дневной поверхности.
Количество выделившегося метана из дегазационных скважин в зависимости от мощности пласта и времени существования скважин изменяется от 35 до 140 тыс. м3.
Ежегодно, только по четырем шахтам “Воркутинская”, “Северная”, “Заполярная”, “Комсомольская” системами дегазации выдается на дневную поверхность до 130-140 млн. м3 метана со средней его концентрацией 35 % в метановоздушной смеси.
Дегазационными системами шахт каптировался метан в нарастающих объемах и достиг своего максимального уровня в 1988 г., составив - 290 млн. м3/год при средней эффективности дегазации по шахтам 51 %. По количеству удаляемого метана из одной шахты (55,5 м3/мин) средствами дегазации ОАО “Воркутауголь” занимает первое место в угольной отрасли и ведущее место в мировой практике. Этот показатель более чем в 2,5 раза выше, чем на шахтах Донецкого бассейна, в 10 0 Кузнецкого, 5, -Карагандинского. После 1988 г. произошло снижение объемов каптированного метана, которое в последние годы стабилизировалось на уровне 160-180 млн. м3/год.
За последние 10 лет произошло снижение относительного количества каптируемого метана с 19,4 до 18,3 м3/т, общая эффективность дегазации уменьшилась с 42,9 до 37,3 %, количество выдаваемого метана на дневную поверхность уменьшилось с 505,4 до 345,5 м3/мин, средняя концентрация метана в выдаваемой из шахты метановоздушной смеси уменьшилась с 43,2 до 34,8 %.
Снижение показателей работы дегазационных систем объясняется уменьшением объемов добычи угля, вызванных в основном экономическими причинами.
На шахтах ОАО “Воркутауголь” утилизация шахтного метана была начата в 1975 г. на шахте “Воркутинская”, когда на топливо в виде метана был переоборудован котел ДВК-10-13. В настоящее время сжигают метан в 4 котельных в 14 паровых котлах с суммарной мощностью 150 т пара в час.
В 1995 г. в котельных было утилизировано 15,5 млн. м3 метана, что соответствует 20,1 тыс. т условного топлива.
Длительный опыт эксплуатации котельных на шахтном метане позволяет сделать вывод об эффективности и безопасности утилизации шахтного метана в котельных установках, а также о необходимости увеличения объемов утилизации метана этим способом.
Дальнейшее расширение области использования каптируемого метана осуществлялось переводом на газ сушильной установки обогатительной фабрики шахты “Северная” - первой в угольной отрасли.
Проектная мощность сушильной установки составляла 10 т пара в час, фактическая производительность была доведена до 16 т пара в час. Эксплуатация сушильной установки по утилизации шахтного метана позволяет увеличить продолжительность работы без замены кирпичной кладки, более быструю остановку и запуск установки, легче регулируется процесс изменения температуры в зависимости от влажности угля, в луч-
шую сторону изменились условия труда операторов, а также уменьшилось на 4 человека их количество, повысилась надежность и экономичность работы углеобогатительной фабрики.
Перевод сушильной установки на шахтный метан позволил отказаться от сжигания 22 тыс. т угля ежегодно.
Также впервые в угольной отрасли на шахте “Северная” был построен газовый воздухонагреватель, работающий на шахтном метане. Тепловая мощность воздухонагревателя - 18 Гкал/ч при расходе подаваемого в шахту воздуха 15000 м3/мин. Работа воздухонагревателя обеспечивает подогрев подаваемого в шахту воздуха до температуры +2°С и выше.
Утилизация шахтного метана в объеме 25-30 млн. м3 в котельных, на установке по сушке угля, газовом воздухонагревателе позволяет ежегодно отказаться от сжигания до 40 тыс. т угля, что приносит не только экономический эффект, но и уменьшает объем вредных выбросов в атмосферу в виде метана и продуктов сгорания угля.
Недостаточные объемы утилизации шахтного метана (16 %) можно объяснить рядом причин, основные из которых следующие:
1. Способ утилизации метана сжиганием для создания теплоносителя в котельных и газовом воздухонагревателе применим только в холодное время года (сентябрь-май); установка для сушки угля на УОФ шахты “Северная” хотя и работает в течение всего года, но ее общий расход метана составляет 6-10 млн. м3 в год.
2. Ряд шахт (“Юр-Шор”, “Центральная”, “Южная”) не имеют собственных котельных, так как снабжаются теплоносителем от городской теплосети.
3. На отдельных шахтах (“Октябрьская”, “Воргашорская”) концентрация метана в метановоздушной смеси, подаваемой вакуум-насосными установками, не постоянна и нередко составляет менее 30 %.
4. Действующие на шахтах дегазационные системы были созданы для решения технологической задачи - обеспечения высокой эффективности дегазации выемочных участков. Система газопроводов и расположение вакуум-насосных установок не позволяют производить перераспределение метановоздушной смеси между различными вакуум-насосными станциями или потребителями.
5. Отсутствие в угольной отрасли юридических норм и экономических стимулов, что также не способствует увеличению объемов добычи и утилизации шахтного метана.
6. Отсутствие в угольной отрасли промышленных технологий, установок и оборудования для утилизации метана сдерживает расширение объемов утилизации метана.
Учитывая существующее состояние технологий и оборудования по утилизации шахтного метана, можно отметить, что дальнейший рост объемов утилизации возможен за счет:
• реконструкции дегазационных систем шахт с целью перераспределения объемов каптированного метана между вакуум-насосными установками и, как следствие, между потребителями, что позволит увеличить объем утилизации метана на 14 млн. м3 в год;
• перевода сушильных установок на углеобогатительных фабриках шахт “Воркутинская”, “Комсомольская” на утилизацию шахтного метана, что увеличит объемы утилизации на 25-30 млн. м3в год;
• внедрения газовых воздухонагревателей на шахтах “Воркутинская”, “Заполярная”, “Комсомольская”, “Центральная” увеличат объем утилизации метана на 16 млн. м3 в год;
• использования метана с целью выработки электроэнергии при
помощи мотор-генераторов, работающих на метане, работа которых параллельно с существующей энергосистемой, позволит обеспечить электроэнергией ряд потребителей шахты; существующий избыток каптированного метана позволяет установить 14 мотор-генераторов с выработкой каждым из них по 1,4 МВт электроэнергии и увеличить объем утилизации метана на 50-55 млн. м3 в год;
• использования шахтного метана в качестве моторного топлива для автотранспорта. Для изготовления моторного топлива целесообразно использовать 52 млн. м3 метана в сжатом или сжиженном виде с концентрацией 95-98 %.
Перспективным направлением утилизации следует считать и использование шахтного метана в качестве сырья для химической переработки и производства аммиака, метанола, уксусной кислоты, ацетилена, формальдегида и других химических продуктов, которые в настоящее время завозятся в Воркуту из центральных районов страны.
Использование шахтного метана в качестве топлива для котельных, установок сушки угля, газовых воздухонагревателей, в газовых генераторах, в качестве сырья для изготовления моторного топлива позволит увеличить объем утилизации на 160 млн. м3 в год и уменьшить до 1,0-2,0 млн. м3 в год объем вредных выбросов метана, а также продуктов сгорания угля в атмосферу. Появится возможность ежегодно отказаться от сжигания до 130 тыс. т угля, дополнительно выработать до 20 МВт электроэнергии, отказаться от поставок в Воркуту до 50 млн. л в год бензина, значительно улучшить экологическую обстановку в Воркутинском промышленном районе.
Кроме дегазационных систем метан в объеме 385 млн. м3/год выдается системами вентиляции шахт, концентрация метана в метановоздушном потоке составляет 0,5-1 %. Этот метан без дополнительной подготовки может быть использован для выработки тепловой и электрической энергии в каталитическом теплоагрегате и в газотурбинных установках.
К перспективным источникам метана следует отнести извлечение его из угольных пластов через скважины, пробуренные с дневной поверхности, при этом будет добываться метановоздушная смесь с концентрацией метана более 90 % в объеме 250-500 млн. м3/год.
Запасы метана в угольных пластах только действующих шахт составляют 27,3 млрд. м3 и при существующем уровне добычи их достаточно на 170 лет.
Примерно 90 % всех потребляемых в мире энергоресурсов приходится на долю органического топлива (уголь, нефть, газ). Геологические запасы нефти и газа, их территориальное расположение
не позволяют прогнозировать в ближайшем будущем увеличение объемов добычи.
Вместе с этим будут возрастать энергетические потребности со стороны социальной сферы и материального производства, удовлетворение которых возможно только на базе ядерного топлива и угля. Ресурсы угольных месторождений на несколько порядков выше ресурсов нефти и газа, поэтому возрастающее энергопотребление в ближайшее десятилетие может быть реализовано прежде всего на базе угольных месторождений, которые необходимо рассматривать не только как месторождения твердого топлива, но и как газовые.
Огромные запасы метана, находящегося в угольных пластах, превышают запасы месторождений природного газа. Утилизация шахтного метана позволит снизить себестоимость добываемого угля, уменьшить дефицит электроэнергии и значительно улучшить экологическую обстановку в угледобывающих районах.
© М.И.Смирнов, В.Н.Бобровников, С.П.Ганшевский
