CC BY
71
К.С. Коликов, С.З. Шкундин, Е.А. Ельчанинов, Ю.Ф. Васючков, Г.Г. Каркашадзе, В.А. Малашкина,
B.М. Шек, В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов,
А.А. Шилов, О.В. Смирнов, А.К. Логинов,
Г.Д. Задавин, А.В. Агарков, Г.М. Презент,
C.К. Баймухаметов, К.С. Кашапов, Ю.Н. Бобнев,
Н.Н. Грознов, А.А. Шипулин, 2007
УДК 622.411.33
Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, Н.О. Каледина,
К. С. Коликов, С.З. Шкундин, Е.А. Ельчанинов,
Ю.Ф. Васючков, Г.Г. Каркашадзе, В.А. Малашкина,
B.М. Шек, В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов,
А.А. Шилов, О.В. Смирнов, А.К. Логинов,
Г.Д. Задавин, А.В. Агарков, Г.М. Презент,
C.К. Баймухаметов, К. С. Кашапов, Ю.Н. Бобнев,
Н.Н. Грознов, А.А. Шипулин
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ МЕТАНОБЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ РОССИИ И СНГ НА 2007-2010 гг.
Основная цель разработки концепции - определение концептуальных подходов и основных мероприятий по комплексному решению проблемы обеспечения метанобезопасности угольных шахт России и СНГ на ближайшие годы.
В последнее время в угольной промышленности критического значения достигли частота и размеры аварий и катастроф на угольных предприятиях. Наиболее значимые из них связаны с взрывами метана, при которых происходит массовая гибель людей. Свежи в памяти последние трагические события на угольных шахтах им. Ленина (Казахстан) и «Ульяновская» (Россия).
В настоящее время технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35-50 % ниже, чем негазовых в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях. Из шахт выделяется более 8 млрд. м3 метана в год, а утилизируется только несколько процентов от этого количества, что наносит существенный ущерб окружающей среде.
Принципиальная новизна концепции заключается в системном подходе к принятию основных проектных решений по комплексно-
му решению обеспечения метанобезопасности угольных шахт России и СНГ, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты. Предлагаемая система извлечения и утилизации шахтного метана включает две взаимосвязанные, но противоположно различные задачи:
- Обеспечение метанобезопасности угледобычи, то есть мета-нобезопасности шахтной атмосферы;
- Обеспечение метанобезопасности атмосферы Земли, то есть уменьшение парникового эффекта шахтного метана.
Обе задачи решаются в пределах шахтных полей, любое извлечение метана из угольных месторождений за пределами шахтных полей не имеет отношения к обеспечению метанобезопасности шахт и атмосферы Земли.
В концепции разработаны основные требования к системам вентиляции, дегазации, утилизации и использования метана угольных пластов, системам мониторинга безопасности и к технологии угледобычи и научно-обоснованные направления комплексного удовлетворения этих требований.
Решение вопросов системной метанобезопасности дол-жно обеспечиваться на всех основных этапах функционирования угольной шахты: на стадии строительства (заблаговременная и предварительная дегазация массива скважинами с поверхности, управление свойствами и состоянием углегазоносного массива с целью борьбы с основными опасностями в угольных шахтах -взрывами метана и угольной пыли, внезапными выбросами угля и газа, и др.), эксплуатации (совершенствование систем вентиляции и способов управления газовыделением в горные выработки, дегазация всех источников поступления метана в горные выработки, эффективный мониторинг метана, блокирование метана в мельчайших порах и трещинах, снижение выбро-соопасности пластов и пылеобразующей способности угля и др.) и ликвидации шахты (консервация выработок, дегазация выработанных пространств, экологическая нейтрализация последствий угледобычи и защита поверхности горного отвода). Таблица 1
Распределение шахт РФ по газообильности
Угольный Категории шахт по метанообильности
бассейн Опасные по Сверх- 3 кате- 2 кате- 1 кате- Нега-
внезапным выбросам кате- горные гории гории гории зо-вые
Донецкий 1 1 2 - 2 30
Кузнецкий 16 23 8 8 5 2
Печорский 5 1 1 6 - -
Челябинский - 2 - 3 1 -
Приморье - 3 - 2 3 -
Сахалин - 3 - - - 1
Всего: 22 36 11 21 19 43
1. Состояние вопроса обеспечения метанобезопас-ности угольных шахт России
В последние 10-15 лет перестройки угольной промышленности в России были закрыты ряд шахт, разрабатывавших высокогазоносные и выбросоопасные пласты. Несмотря на прошедшую реструктуризацию угольной промышленности, в настоящее время отсутствуют гарантии обеспечения необходимой безопасности подземной разработки газоносных угольных пластов и в существующих условиях на действующих шахтах России не исключены (более того, вполне прогнозируемы) внезапные выбросы угля и газа, загазирование горных выработок, вспышки и масштабные взрывы метана и угольной пыли.
В Российской Федерации из 105 действующих шахт 78 % отнесены к опасным по метану, из них 45 % шахт являются наиболее метанообильными и 20 % шахт работают с дегазацией угольных пластов и выработанных пространств (табл. 1 -данные на 2005 г.). В атмосферу Земли ежегодно выбрасываются 1,25-1,3 млрд. м3 угольного метана и, таким образом, существенная доля ресурсов ценного природного газа теряется безвозвратно, загрязняя при этом атмосферу.
Таким образом, Кузбасс представляет собой основной угольный регион страны, где концентрируются проблемы метанобезо-пасности в настоящее время.
Следует отметить, что в отличие от метаноопасных угольных регионов СССР - Карагандинского, Донецкого, - Кузбасс, вследствие своих горно-геологических условий, подошел к высокому уровню метановой опасности существенно позднее (на 25-30 лет) и поэтому менее подготовленным к решению задач защиты шахт и шахтеров от надвигающейся опасности. Это связано прежде всего с
незначительным количеством высококвалифицированных кадров в области шахтного метана (в СССР в Кузбассе в разные периоды работало от 5 до 8% от общего количества специалистов по шахтному метану. Это количество практически не возросло в процессе резкого повышения добычи угля в Кузбассе с распадом СССР. В Кузбассе явно недостаточно действующих структур научного и технологического профиля, работающих в области метанобезопасности.
Недостаточный уровень кадрового обеспечения объясняет, в частности, тот необоснованный крен в сторону энергетической добычи угольного метана из угольных месторождений и создание на базе угля Кузбасса новой «газовой провинции» страны. Пагубность этого направления еще 10 лет назад была детально освещена специалистами и доказана в настоящее время широкой практикой в США, во многих других странах и на экспериментальном полигоне в самом Кузбассе. Эта «проблема» отвлекла и без того слабые силы специалистов по угольному метану в Кузбассе от проблем метанобезопасности угледобычи и таким образом усугубила ситуацию.
Вследствие совокупности всех этих обстоятельств Кузбасс без систем дегазации шахтных полей с поверхности, без развития систем подземной дегазации, без систем утилизации метана, без систем современного мониторинга метана оказался фактически безоружным перед опасностью метана.
Смертельный травматизм вследствие нарушения норм содержания метана и других вредных примесей в атмосфере горных выработок достигает почти 20 %. Продолжающиеся аварии в российских шахтах позволяют констатировать недопустимо высокий уровень опасности подземной угледобычи, во многом определяющийся недостатками действующих вентиляционных систем и практически отсутствием предварительной дегазации в лучшем случае применяется дегазация выработан-ных пространств.
Неизбежность в настоящее время подземной разработки угольных месторождений, перспективы ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузок определяют высокую актуальность на государственном уровне проблемы метанобезопасно-сти.
Основными причинами высокой аварийности являются:
• недостаточный уровень решения проблемы управления га-зовыделением в условиях ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузок на очистные забои;
• отсутствие существенных материальных стимулов к увеличению объемов извлечения метана;
• несовершенство законодательно-нормативной базы;
• низкая производственная и технологическая дисциплина;
• отсутствие современных систем и средств контроля и управления метановоздушными потоками в шахтных вентиляционных и дегазационных системах;
• распыление и невостребованность научно-технического потенциала, имеющегося в стране, но не используемого для решения проблемы метанобезопасности;
• некомпетентность собственников угольных компаний, низкая квалификация проектировщиков систем вентиляции и дегазации шахт, сложившаяся ментальность лидеров производства и руководителей угольных регионов к проблемам метана.
Следует отметить, что в запасах углей категории А+В+С1 содержится 260 млрд. м3 метана, а в промышленных запасах - 160 млрд. м3.
В существующих условиях коэффициент извлечения метана из угольных месторождений РФ в среднем составляет не более 0,25: при этом в Кузбассе он не превышает 0,2, в Воркуте - 0,4. Объемы извлечения метана средствами шахтной дегазации на всех добычных участках находятся на уровне 250 млн. м3/год. При существующих в России технологиях коэффициент извлечения метана на шахтах реально может быть обеспечен на уровне 0,5 и выше.
Главной проблемой, сдерживающей решение проблемы метано-безопасности за счет широкого применения перспективных технологий дегазации угольных пластов, являются высокие материальные затраты на их реализацию, особенно на начальной стадии освоения месторождений. Однако это единственный путь повышения экономической эффективности угледобычи на высокогазоносных пластах, позволяющий обеспечить производительную работу современного добычного обрудования. Наряду с факторами повышения производственной эффективности угледобычи в зонах интенсивной дегазации, дополнительный экономический эффект может быть обеспечен за счет использования метана для собственных нужд, внешних потребителей и снижения экологической нагрузки на окружающую среду.
Сдерживающим фактором экономической привлекатель-ности проектов использования угольного метана является низ-кая конкурентоспособность углеметановых технологий в усло-виях, когда
РФ имеет запасы природного газа, извлекаемого в достаточных объемах традиционными технологиями. Традициионные технологии добычи природного газа экономически более выгодны, чем извлечение и использование нетрадицион-ного энергоресурса -угольного метана. Но сегодня актуальным становится экологический фактор снижения выбросов парниковых газов в атмосферу. Подписание Россией Киотского протокола обязывает отечественную промышленность предпринять шаги по экономически оправданной утилизации угольного метана.
Учитывая значительный потенциальный ресурс угольного метана, в России следует сформировать необходимую инфраструктуру производителей и потребителей метана, что соответствует главной идее концепции метанобезопасности.
2. Мировой опыт решения основных проблем шахтного метана
В основных угледобывающих странах мира (КНР, США, Австралия, Польша, Казахстан, Украина, Мексика, Германия, Великобритания, Франция, и др.) разработка высокогазо-носных угольных пластов ведется с широким применением различных способов дегазации. Необходимо отметить, что там применяются как подземные, так и наземные способы скважинного извлечения шахтного метана.
В Германии по добыче угля в 2003 году работали 10 шахт, в которых производство составило 26 млн. т каменного угля. Горные работы по подготовке и отработке пластов угля на различных шахтах достигли 1000-1500 м, метаноносность угольных пластов -
20...25 м3/т. На шахтах ФРГ применяют в основном подземные способы извлечения метана из угольных пластов, преимущественно, сближенных.
Из действующих шахт земли Северный Рейн-Вестфалия (СРВ), где запасы угля оценены в 20 млрд. т, при годовом метано-выделении из шахт, равном 810 млн. м3, дегазационными системами извлекается 415 млн. м3 метана, из них утилизируется 260 млн. м3. Успешному решению проблемы метана на шахтах Германии способствует Горный закон, согласно которому угольный метан отнесен к полезному ископаемому и принадлежит шахтам. Законодательством Германии метан угольных пластов искусственно отнесен к возобновляемым источникам энергии, что позволило установить льготные цены на электроэнергию, получаемую из шахтного метана.
В связи с этим шахты заинтересованы в эффективном ведении дегазационных работ и получении дополнительной прибыли. Такой подход способствуют безопасной работе шахт по газовому фактору, сбережению энергоресурсов и защите окружающей среды.
Дебит каптированного метана на действующих шахтах ФРГ составляет 85-170 м3/мин, а на ликвидируемых - 40-50 м3/мин. Содержание метана в каптируемой смеси изменяется от 25 до 70 %, причем преимущественно более 35 %. Объемы использования метана на шахтах от 60 до 100 % от объема каптированного.
Германская компания Saarbergwerke АО является одной из ведущих в Европе по добыче шахтного метана. Метан извлекается преимущественно через скважины, пробуренные на сближенные подрабатываемые и надрабатываемые пласты угля из выработок выемочного участка прямолинейно вкрест простирания пласта или с выводом горизонтальной части скважины в плоскость сближенного пласта.
Согласно законодательству Великобритании шахтный газ, подаваемый потребителю, должен содержать не менее 40 % метана. Соблюдение требований - подавать потребителю газовоздушную смесь с таким содержанием метана достигается высоким качеством герметизации скважин и параметрами заложения скважин.
На шахтах Австралии для добычи угольного метана широко используют способы дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок. В плоскости разрабатываемого пласта дегазационные скважины располагают параллельно линии очистного забоя или по схеме, предусматривающей веер скважин, пробуренных из одноствольной части дегазационной скважины. При этом все скважины, пробуренные по трем схемам, предназначены для дегазации угольного массива в зонах проведения очередных подготовительных выработок, т.е. скважины бурят за контуры будущих выработок. Кроме того, зоны пласта на участках проведения подготовительных выработок оконтуривают длинными (700-800 м) барьерными скважинами, которые могут быть пробурены прямолинейно и параллельно оси выработок, либо искривленно у устья с последующим расположением скважины параллельно оси выработки.
Шахты США имеют следующие средние размеры выемочных участков: ширина - 250 м, длина - 1800 м. При средней мощности угольных пластов 1,5 м и метаноносности 8,5 м3/т в угольном пла-
сте обуренные скважинами участки разрабатываемого пласта дегазируют в течение 1-2 лет.
Лидерами в области обеспечения метанобезопасности путем извлечения угольного метана из неразгруженных пластов являются угольные и газовые компании США. Угольный метан в США, начиная с 80-х годов прошлого века, превратился в весомый ресурс, широко используемый газовыми компаниями. Ежегодно в США из неразгруженных угольных пластов извлекается более 45 млрд. м3 метана и эта технология получила развитие не только для обеспечения метанобезопасности, но также в практике промысловой добычи угольного метана. Становление этого направления также было обеспечено законодательным путем, а именно, налоговыми льготами на бурение скважин с поверхности и установление низкой критической величины текущей газоносности угольного пласта, при которой разрешена его подземная разработка.
Аналогичная технология дегазации неразгруженных угольных пластов, представленная на рисунке, разработана в СССР учеными Московского горного института (ныне Московский государственный горный университет). Технология была испытана более, чем на 20 шахтах Карагандинского и Донецкого угольных бассейнов, в настоящее время успешно используется на шахтах Карагандинского бассейна. Как показано на рисунке, технологические этапы дегазации свиты угольных пластов скважинами с поверхности включают на первом этапе гидрорасчленение пласта (ГРП) и другие активные воздействия на пласт с целью раскрытия трещин и увеличения радиуса зоны проникновения рабочего агента.
Увлажнение пласта является важной особенностью, позволяющей снизить выделение метана в горные выработки и образование пыли в очистном забое. На втором этапе происходит освоение скважин, извлечение воды и затем, после осушения - извлечение практически чистого угольного метана. Длительность
Поэтапная технология дегазации свиты угольных пластов скважинами с поверхности: I - ГРП и другие активные воздействия на неразгруженную свиту пластов; II - освоение скважин (извлечение воды и метана); III - дегазация подработанного массива
этапа исчисляется годами и зависит от планирования добычных работ. На третьем этапе продолжают извлечение метана с концентрацией более 40 % путем дегазации подработанного горными работами углегазоносного массива.
Проблему обеспечения метанобезопасности целесообразно более детально рассмотреть на примере Карагандинского угольного бассейна. На шахтах бассейна применялись и применяются в настоящее время более 20 различных способов и схем дегазации. Традиционно серьезный подход к состоянию дегазации в бассейне привел к тому, что эффективность дегазации на шахтах бассейна стабильно находится на высоком уровне.
Карагандинском угольном бассейне накоплен уникальный опыт концентрации работ по дегазации в управлении «Спецшахтомонта-ждегазация» (УСШМД), которое было в 1970 году создано и предназначалось для выполнения и научно-практического обоснования основных дегазационных работ. Благодаря технически грамотной инженерной политике в практику работы шахт была введена комплексная дегазация подготавливаемых к разработке угольных пластов и выемочных участков, эффективность которой достигает 60-80 %.
Работы по заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) шахтных полей через скважины с поверхности по инициативе академика А.А. Скочинского были начаты более 40 лет назад За время испытаний, опытно-промышленной апробации и внедрения этого способа только в Карагандинском бассейне было обработано более 50 млн. т запасов угля через 140 скважин на 10 шахтных полях. К настоящему времени в зонах ЗДП добыто более 25 млн. т угля.
Целесообразность проведения ЗДП не всегда была очевидна. На многих шахтах других бассейнов она не очевидна и сегодня. В первую очередь это связано с достаточно большими капиталовложениями, которые могут окупиться лишь через 3-5 и более лет. Кроме того, вызывала сомнения надежность достижения необходимой эффективности, что связано с тем, что скважины по экономическим соображениям бурятся на расстоянии 250-300 м друг от друга и между ними могут оставаться необработанные и, следовательно, не дегазированные участки пласта. Особенно недопустимо это с позиций обеспечения выбрособезопасности.
В настоящее время на эти вопросы в Карагандинском угольном бассейне получены определенно положительные ответы.
Угольным Департаментом АО «Миттал Стил Темиртау» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводительных очистных забоев с переходом к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ, технологическому процессу «шахта - лава».
Среднемесячная нагрузка на очистной забой на шахтах постоянно и существенно возрастает и превысила в настоящее время на ряде шахт 400 тыс. т в месяц.
В этих условиях резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими технико-экономичес-кими показателями. Но даже при эффективности комплексной дегазации в 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м 3 в минуту и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется глубокой дегазацией выработанного пространства. Однако с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 4-5 тыс. т в сутки возможно только за счет извлечения метана непосредственно из разрабатываемого угольного пласта.
Пластовая дегазация угольного пласта из подземных выработок имеет определенные ограничения по эффективности, что связано с ограниченным временем функционирования пластовых скважин, снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения мощных активных воздействий на толщу из-за близости горных выработок к объекту дегазации.
Проведенная оценка необходимой величины снижения газоносности показала, что при газоносности пласта 20-25 м3/т на глубине свыше 500 м и при нагрузках на лаву свыше 4000-5000 т в сутки необходим дополнительный способ дегазации, которым может являться заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов, проводимая за несколько лет до начала их отработки.
Показано для средних условий ряда шахт Карагандинского бассейна, что для обеспечения нагрузки на лаву 4000, 5000, 6000
т/сут требуется дополнительное снижение газоносности пласта на 3,0; 4,8 и 6,0 м3/т соответственно.
Опыт освоения скважин ЗДП с использованием активных воздействий показывает, что данная технология может обеспечить 50процентное снижение природной газоносности и извлечение на поверхность 6-9 м3/т. Общее снижение газовыделения в горные выработки может быть снижено на 11-12 м3/т с учетом специальных дополнительных воздействий (например, гидровоздействие в режиме фильтрации на последней стадии работ), обеспечивающих повышение остаточной газоносности угля за счет блокирования метана в мельчайших порах и трещинах пласта.
Достоверно доказать экономическую обоснованность и состоятельность заблаговременной дегазационной подготовки позволили последние работы на поле шахты им. Ленина в Карагандинском угольном бассейне, где скважины с поверхности функционировали более 8 лет и продолжают функционировать по извлечению метана из особо выбросоопасного мощного пласта Д6. За 8 лет из 14 скважин было извлечено более 20 млн. м3 100%-го метана, что позволило снизить газоносность пласта на 6-9 м3/т и обеспечить существенную экономическую эффективность этих работ за счет сокращения объема проведения подготовительных выработок, роста добычи угля в зонах ЗДП, утилизации метана на обогревателе нового клетьевого ствола%.
Но необходимо отметить, что экономическая отдача последовала почти через 8 лет после сложения средств - в этом наиболее серьезный инвестиционный барьер к внедрению рассматриваемой технологии в практику угледобычи, особенно в настоящее время.
Накопленный в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах научный и технологический опыт, защищенный авторскими свидетельствами и патентами РФ, может быть в полном объеме перенесен в угольные регионы России.
В последнее время в США получила развитие технология дегазации угольных пластов с помощью множества криволинейных скважин с горизонтальным окончанием ствола. Горизонтальная часть скважин достигает 300 м и эта технология в ряде случаев имеет преимущества по сравнению с вертикальными скважинами, обеспечивая существенно больший уровень извлечения газа. Ши-
рокое внедрение технологии сдерживается высокой стоимостью работ.
Метанобезопасность бытовых и производственных объектов угледобывающих регионов определяется уровнем организации процесса извлечения метана на шахтных полях ликвидированных шахт.
Мировая практика подтверждает экономическую эффективность отсоса газа из выработок закрытых шахт:
- в Австралии из шахты «Бэлмайн», закрытой после взрыва в 1942 г., в течение 25 лет каптировали 365 млн. м3 (средний дебит 33,5 м3/мин) газа, содержащего 50-60 % метана и 3 % этана, на сумму более 40 млн. долларов;
- в Сааре (Германия) из закрытой в 1959 г. шахты «Санта-Барбара» до 1985 г. извлечено 265 млн. м3 (средний дебит 20,2 м3/мин) на сумму 29,15 млн. долларов;
- с конца 70-х годов во Франции (Нор и Па-де-Кале) проводились работы по извлечению метана из отработанных полей угольных шахт. За период 1982-1984 гг. (около 3-х лет) каптировано 9 млн. м3 (средний дебит составил 6,5 м3/мин, концентрация метана - до 70 %). Общий объем извлеченного метана только в 1985 г. составил 55 млн. м3 (средний дебит 104,6 м3/ мин) на сумму 6,05 млн. долларов.
В качестве успешного опыта извлечения метана из выработанных пространств ликвидированных шахт можно привести следующее:
в США, шахты бассейна Варриор-Блу Крик №№ 3,4,5,7 (глубины 500-700 м), 4 шахты, 85 скважин, из которых извлекли 1,5 млрд. м3, средний суммарный дебит из которых составил 1 млн. м3 / сут, на сумму 100 млн. долл. США.
Для всех ликвидируемых шахт, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, необходимо перед закрытием предусматривать целесообразность последующего извлечения метана на поверхность и его полезное использование. Для этого консервация шахт должна производиться «сухим» способом. В ряду необходимых мероприятий должно предусматриваться сохранение ряда горных выработок с установкой изолирующих перемычек для осуществления вывода газа по газопроводу на поверхность (из-за перемычек). Альтернативной технологией может быть извлечение метана через скважины с поверхности, которые должны буриться в
сохраненные выработки, являющиеся аккумуляторами метана, поступающего из выработанных пространств и разгруженных от горного давления неразработанных угольных пластов и газоносных пород.
Представляет большой практический интерес технология комплексной дегазации, используемая в Карагандинском уголь-ном бассейне (Казахстан), предусматривающая сначала дегазацию неразгруженных пластов, а затем их последующую дегазацию через скважины, пробуренные из подземных выработок. Комплексная дегазация позволяет извлечь метан из всех основных источников газовыделения с общим коэффициентом дегазации 0,75-0,80 и обеспечить безопасную работу высокопроизводительных очистных забоев.
3. Извлечение угольного метана на стадиях освоения, эксплуатации и закрытия угольных шахт
Основной принцип концепции метанобезопасной отработки газоносного угольного месторождения - это попутное извлечение метана на всех стадиях освоения месторождения с учетом изменения проницаемости породного массива под влиянием горных работ. Реализация концепции должна базироваться на достоверном прогнозе ресурсов метана в пределах горных отводов проектируемых, строящихся, действующих и закрываемых шахт и использованием для извлечения газа технологий, адаптированных к конкретным горно-геологическим условиям.
Извлечение газа должна начинаться заблаговременно, за 5-10 и более лет до начала ведения горных работ. При этом схема расположения и параметры заложения скважин опреде-ляются с учетом плана будущих горных работ по добыче угля. Поскольку угольные пласты, как правило, залегают свитами и разрабатываются поочередно - с определенным опережением, то в процессе отработки месторождения постоянно имеет место повторная подработка массива, приводящая к активизации процесса десорбции метана из всех перечисленных выше источников. Этот механизм должен учитываться в технологических схемах дегазации.
В период ликвидации шахты извлечение метана может вестись из выработанных пространств шахты, а также из целиков угля на участках шахтного поля, где еще не велись горные работы. Проблема извлечения и использования метана из ликвидированных шахт непосредственно связана с задачей защиты горного
отвода, в первую очередь от шахтного метана, мигрирующего из подземного пространства на поверхность и создающего опасность возгорания и взрывов в смеси с воздухом.
Необходимо иметь в виду, что все известные способы дегазации имеют свою область применения по фактору времени и объектам дегазации. Наиболее перспективные из них определяются конкретно для каждой шахты и участка шахтного поля.
Изменение закономерностей десорбции и дренирования метана на различных стадиях освоения угольного месторождения свидетельствует о том, что требования к технологии извлечения газа в процессе выемки угля также меняются. Поэтому выделяются три этапа извлечения метана, соответствующие различным типам напряженно-деформированного состояния массива. В табл. 2 представлена схема, отображающая этапы извлечения метана, заключенного в угольных пластах и массивах окружающих пород.
1. Добыча метана на полях будущих шахт осуществляется до или в период проектирования шахты. На этой стадии можно извлечь до 50 % объема газа, находящегося в неразгруженных пластах при концентрации метана в отсасываемой смеси в пределах
90...95 %. Длительность эксплуатации одной скважины - до 12^15 лет. Глубина залегания дегазируемых с поверхности угольных пластов - до 1200 м.
2. Заблаговременная дегазация осуществляется в период строительства шахты (крыла, горизонта и т.п.). При отсутствии первой стадии показатели аналогичны, однако объемы извлечения метана снижаются пропорционально уменьшению сроков службы скважин.
3. Предварительная дегазация скважинами с поверхности
осуществляется за 5 и менее лет до начала ведения очистных работ в зоне дегазации. При отсутствии первой и второй стадий можно извлечь 25...30 % от первоначального объема метана.
Сопутствующая дегазация осуществляется в период эксплуатации шахты в течение до 50 лет. Можно дополнительно извлечь 5...25 % метана.
4. Предварительная пластовая дегазация из подземных выработок осуществляется, как правило, за год и менее до начала очистных работ в зоне дегазации. Дегазация может осуществляться как без активных воздействий на пласт по повышению его проницаемости, так и с активными воздействиями. Съем метана
тем выше, чем больше срок дегазации. В среднем может извлекаться от 10 до 15 % метана. Наибольшую эффективность имеет пластовая дегазация в зонах заблаговременной дегазации скважинами с поверхности вследствие существенно большей газопроницаемости угольного пласта.
5. Текущая дегазация осуществляется без активных воздействий и заключается в применении согласно «Руководству по дегазации угольных шахт, М., 1990» различных способов дегазации из подземных выработок, таких как извлечение метана из выработанных пространств, из-за перемычек и др. Сюда же входит дегазация выработанных пространств через скважины, пробуренные с поверхности. В качестве последних могут применяться скважины заблаговременной дегазации после соответствующих перфораций обсадной колонны. Текущая дегазация осуществляется в период эксплуатации шахты и позволяет дополнительно извлечь 25...30 % метана.
6. Последующая дегазация ограничений во времени не имеет. Возможно извлечение метана в течение 50 и более лет. Источником метана являются угольные целики и окружающие породы. По прогнозам, объем метана в выработанных пространствах в 2-3 раза превышают объем, выделившийся при добыче угля за весь период функционирования шахты.
4 Основные требования к системам обеспечения метанобе-зопасности угольной шахты
Системный подход к принятию основных проектных решений по комплексному решению обеспечения метанобезопасности угольных шахт России, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, предопределяет разработку основных требований к системам вентиляции, дегазации, утилизации и использования метана угольных пластов, системам мониторинга безопасности и к технологии угледобычи.
4.1 Требования к системе вентиляции
Система вентиляции должна отвечать следующим основным требованиям:
1. Обеспечение необходимым количеством воздуха основных мест и зон его потребления - зоны очистных работ, зоны горноподготовительных и горно-капитальных работ - по газовому и пылевому факторам.
2. Минимизация мощности и затрат на проветривание шахты.
3. Оптимальное распределение воздуха в системе выработок, насчитывающей сотни ветвей, в том числе значительное количество выработок, относящихся в аэродинамическом смыс-ле к диагональным.
4. Управляемость вентиляционной системы, которая требует эксплуатации надежной системы оперативного контроля и автоматического управления вентиляцией, включая: управление в аварийных режимах; реверс струи; уменьшение и увеличение параметров работы вентиляторов главного проветривания; управление отрицательными регуляторами и вентиляторами местного проветривания.
Совокупность этих требований определяет, во-первых, применение фланговой схемы вентиляции шахты или секционной (блочной) системы проветривания; а во-вторых - применение прямоточного проветривания в пределах выемочного участка.
Выбор способа проветривания и рационального аэродинамического режима на этапе определения общесистемных решений принципиального значения не имеет, эти характе-ристики должны определяться на основе моделирования шахтной вентиляционной сети с учетом принятых решений по системам разработки, а также по технологии дегазации.
4.2. Требования к системе дегазации
Принципиальные требования к системам заблаговременной и предварительной дегазации шахтных полей скважинами с поверхности следующие:
• обеспечение необходимого снижения газовыделения в горные выработки при ведении очистных и подготовительных работ (с эффективностью 75-80% и выше при увеличении срока дегазации), достигаемого как за счет необходимого уровня извлечения метана из угольных пластов (до 50% от природной газоносности), так и за счет искусственного повышения остаточной газоносности угля вследствие блокирования метана водой в мельчайших порах и трещинах пласта;
• существенное снижение выбросоопасности дегазируе-мых пластов;
• снижение пылеобразующей способности угля в дегазируемых зонах.
Принципиальные требования к системам дегазации шахт-ных полей на стадии эксплуатации сводятся к следующим:
• обеспечение метанобезопасности ведения работ по добыче угля за счет требуемого снижения газообильности горных выработок и предотвращения загазирований шахтной атмосферы, что позволит существенно повысить производительность добычи угля;
• обеспечение кондиционных дебитов газовоздушных смесей за счет создания системы контроля и управления дебитами и концентрациями метана в системе трубопроводов; создания системы подготовки извлекаемых метановоздушных смесей для подачи потребителю; минимальной длины трубопроводов с целью повышения степени их герметичности и уменьшения подсосов воздуха в систему (снижения степени разубоживания метана); аэродинамического управления распределением метана в объеме выработанного пространства; надежной изоляции отработанных полей от действующих горных выработок требования к качеству извлекаемых метановоздушных смесей 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 извлечения газа, так и с точки зрения обеспечения санитарногигиенических и экологических нормативов.
С учетом принятого принципа трехстадийного подхода к извлечению метана, для дегазации разгруженных от горного давления 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 - подземными скважинами из поддерживаемых выработок смежных пластов. Для выработанных пространств - при глубинах разработки до 400-450 м -скважинами с поверхности, при больших - подземными скважинами из выработок, сохраняемых на контакте с выработанным пространством (фланговые, вентиляционные, дренажные и др.) в сочетании с оптимальными аэродинамическими режимами.
Эффективность добычи метана в зонах ведения горных работ существенно зависит от технологии угледобычи и качества выполнения работ по дегазации, т.е. соблюдения требований технологии.
При квалифицированном выполнении работ по дегазации себестоимость попутной добычи шахтного метана не превышает стоимости добычи природного газа (в среднем около 8,8 долл. США на 1000 м3).
4.3. Требования к системе утилизации метана
К настоящему времени на шахтах развитых угледобывающих стран, в частности СНГ апробированы и применяются в различной степени и объемах следующие решения по использованию угольного метана:
• в качестве топлива котельных (расход метановоздушной смеси свыше 15 м3/мин., при содержании метана свыше 25%);
• в качестве топлива огневых калориферов для обогрева шахтных стволов (показатели газоснабжения те же);
• в качестве топлива газомоторных мобильных электростанций (расход метановоздушной смеси свыше 1 м3/мин., при содержании метана свыше 25 %);
• в качестве топлива газотурбинных мобильных электростанций (расход метановоздушной смеси свыше 5 м3/мин., при содержании метана свыше 40 %);
• в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания автотранспорта (расход метановоздушной смеси свыше 2,5 м3/мин при содержании метана свыше 80 %);
• для газоснабжения бытовых газовых потребителей (расход метановоздушной смеси свыше 2,5 м3/мин при содержании метана свыше 85 %);
• в качестве исходного сырья для получения метанола (расход метановоздушной смеси свыше 5 м3/мин., при содержании метана свыше 65 %).
Требования к выбору системы утилизации вытекают из необходимости обеспечения соответствия вышеприведенным кондициям метановоздушной смеси.
4.4. Требования к системе мониторинга безопасности
Основой автоматизированной системы управления технологическими процессами в шахте является система контроля безопасности. Современные системы общешахтного мониторинга безопасности должны быть открытыми и гибкими системами передачи информации, т.е. допускать, при необходимости, передачу информации (речевой или от сенсора) из любого пункта шахты как в
штатных, так и в чрезвычайных ситуациях, они должны контролировать жизненные показатели (например, передвижение или пульс) каждого шахтера независимо от его желания. Непрерывный и автоматический контроль шахтной производственной среды позволяет своевременно обнаруживать опасные концентрации и скопления газа, признаки пожара на самых ранних стадиях, неполадки в системах электроснабжения, геодинамические проявления.
Существенно сократить число техногенных аварий становится возможным за счет распознавания угрожающих тенденций в динамике показателей опасных производственных факторов и своевременного принятия профилактических мер.
Система мониторинга безопасности шахт в соответствии с «Правилами безопасности в угольных шахтах» должна осуществлять:
• контроль газов СН4 и СО;
• контроль водорода Н2 в атмосфере зарядных камер;
• выдачу аварийных сигналов;
• автоматическое отключение электрооборудование при
достижении предельно допустимых концентраций взрывчатых газов.
Приведенные соображения свидетельствуют о целесообразности при проектировании единой системы контроля безопасности разделить ее на ряд автоматизированных подсистем, выполняющих контроль параметров опасных факторов, важнейшими из которых являются:
- подсистема контроля рудничной атмосферы (вентиляция);
- подсистема контроля пожароопасности;
- подсистема контроля опасности внезапных выбросов и горных ударов.
Все подсистемы должны быть связаны между собой информационно, обеспечивая комплексно контроль указанных показателей и предупреждение аварий.
Основные требования к системе мониторинга следующие:
- иерархическая структура системы, соответствующая технологической схеме предприятия;
- открытость и наращиваемость системы мониторинга, т.е. возможность, при необходимости, добавлять системе новые функции, расширяя номенклатуру и количество источников информации, не нарушая её работу;
- гибкость системы мониторинга в пространстве и времени, т.е. способность, изменяя топологию системы, отслеживать технологическое развитие шахты и временную нестабильность параметров, характеризующих безопасность;
- живучесть системы мониторинга, т.е. способность выполнять основные функции (передавать информацию из шахты на поверхность) в большинстве аварийных обстоятельств (здесь имеется в виду сохранность линий передачи информации при обвалах и даже выбросах породы, механических воздействиях на кабель, специально не направленных на его повреждение).
5. Использование угольного метана
Коммерческое использование угольного метана - один из рычагов обеспечения экономической состоятельности мероприятий по обеспечению метанобезопасности угольных шахт. Дополнительный экономический эффект должен достигаться за счет:
- уменьшения штрафов за выбросы парникового газа метана. В соответствии с 01.07.2005 г. Постановлением Правительства России № 410 от 01.07.2005
- возможности получения финансовых средств от продажи квот и углеродных кредитов в рамках осуществления проектов совместного осуществления (ПСО) при реализации механизма Киотского соглашения;
- прямой прибыли от использования дополнительного сырьевого и энергетического ресурса метана.
Ресурсы метана в угольных бассейнах России сравнимы с газовыми месторождениями и составляют в сумме 49 трлн. м3. Ресурсы метана в угольных пластах Кузбасса до глубины 1800 м оцениваются в 13 трлн. м3, в пределах шахтных полей ресурсы метана составляют 210 млрд. м3. В Печорском угольном бассейне - 2 трлн. м3, пределах шахтных полей - 26 млрд. м3. В рамках разработанной концепции метанобезопасности угольных шахт России экономический интерес представляют ресурсы метана только в пределах шахтных полей.
Принципиальные отличия угольного метана от традиционных газовых месторождений - низкое давление газа, нестабильное содержание метана в смеси шахтных газов, малые мощности единичных источников газа и пространственное распределение источников.
Перспективное развитие извлечения и использования шахтного метана в России должно соответствовать мировым тенденциям. Анализ мирового опыта, в первую очередь США, Австралии, Германии и Японии свидетельствует о том, что в угледобывающей промышленности мира сложились четыре технологии извлечения метана, определяемые как:
- метан из пластов действующих шахт, концентрация 25-60 %;
- метан из выработанного пространства закрытых угольных шахт, до 80 %;
- метан из неразгруженных угольных пластов, концентрация более 95 %;
- метан из вентиляционных систем, концентрация менее 1 %.
Метан с концентрацией 25-80 % может быть использован для
получения тепловой и электрической энергии. Наиболее впечатляющие результаты достигнуты в Германии. В Германии разработан ряд энергетических установок, которые вырабатывают электричество и тепло. Полнота использования шахтного метана в Германии составляет 95 %. Получаемая электрическая мощность из шахтного метана превышает 120 МВт.
Технологии получения электроэнергии при использовании ме-тано-воздушных смесей на стадии опытных образцов имеются также в России (Разработчики ИГД им. А.А. Скочинского, МГГУ). Однако широкая апробация на российских шахтах не проводилась.
Метан с концентрацией более 95 %, извлекаемый из неразгруженных угольных пластов добывается в широких масштабах в США, где ежегодно для этой цели осуществляют бурение около 3000 скважин. Функционирование скважин, пробуренных в некондиционные угольные пласты, рассчитано на срок 10-15 лет и более. В США хорошо развита техника бурения скважин, укладки подземных трубопроводов, компрессорное оборудование и технологии разделения метана от газовых смесей. В США нашла промышленное применение технология криогенного удаления Н28, СО2 и N из метановоздушных смесей. Чистый метан по трубам направляют на энергетические заводы для продажи.
Метан с концентрацией 0,15-1,0 %. В Австралии подготовлена к промышленной апробации американская разработка получения тепловой и электрической энергии из исходящей вентиляционной струи, в результате сжигания низко концентрированного метана. Проект <^Є8іУАМР» преобразовывает в тепло и электричество
вентиляционную струю расходом 800 000 м3/час с концентрацией метана 1 %. Конструктивная реализация - стальной контейнер с блоком керамического материала и тепловыми элементами в центре блока.
В процессе реализации концепции метанобезопасности, извлекаемый шахтный метан и метано-воздушные смеси реко-мендуется использовать в следующих направлениях:
• Внутренние потребители в пределах действующей шахты. Эти потребители используют средства сжигания метановоздушных смесей в котельных для нагрева воды, подогрев воздуха, сушки угля на обогатительных фабриках и др. Они также используют установки для получения электроэнергии для работы шахтного оборудования. Это направление следует развивать в первую очередь.
• Внешние потребители в пределах региона используют чистый природный газ (бытовые нужды, заправка автомобилей, химическая промышленность). Для этих потребителей необходимо создавать сеть местных трубопроводов с возможностью продажи ресурса путем подсоединения в магистральную сеть. Это направление базируется на технологии дегазации неразгруженных угольных пластов, а также технологиях обогащения метановоздушных смесей (криогенные технологии, сепарация, мембранные фильтры и др.). Данное направление следует развивать по мере вовлечения в дегазацию неразгруженных угольных пластов.
• Внутренние и внешние потребители нуждаются в электроэнергии, которую в больших количествах можно получать путем сжигания метана вентиляционных струй. Для этой цели необходимо использовать установки для сжигания смесей с концентрацией метана 0,15-1,0 %, агрегаты для выработки электроэнергии, а также электрооборудование для передачи электроэнергии в магистральную линию. Следует ожидать, что данное направление на шахтах передовых стран мира может занять ведущие позиции уже через пять лет. Следует отметить, что на угольных шахтах России эксплуатируется более 1000 вентиляционных установок, потребляющих порядка 2,4 млрд. кВт-час электроэнергии ежегодно. Потребляемая установками электроэнергия почти на порядок меньше энергетического потенциала вентиляционного метана. Исходя из изложенного, представляется весьма важным привлечение научных и проектных организаций России для решения этой актуальной задачи.
• Получение тепловой и электрической энергии за счет сжигания метановоздушных смесей в газотурбинных установках, синтез жидкого топлива из метана, получение метанола, получение сажи при сжигании смесей, центробежная сепарация метановоздушных смесей - все эти и другие технологии также могут завоевать потребительский рынок в зависимости от техникоэкономической целесообразности. Следует также иметь в виду возможность получения выгоды за счет простого сжигания метана и сокращения тем самым выбросов парниковых газов по сравнению с прямым выбросом метана в атмосферу, что определено в условиях Киотского протокола.
6. Предложения по реализации концепции метанобезопас-ности угольных шахт России на 2007-2010 гг. и более длительную перспективу
Радикальным государственным мероприятием, которое позволит решить проблему метанобезопасности, является следующее концептуальное положение: запретить разработку угольных пластов с газоносностью более 9 м3/т без заблаговременной дегазации.
Данное мероприятие следует внедрять постепенно, в течение 15 лет, в следующей последовательности:
• в период 2006-2010 г. - подготовка к дегазации, создание соответствующих структур. Ограничений по газоносности нет;
• в период 2011-2015 гг. - запрет на разработку пластов с газоносностью более 14 м3/т без их скважинной дегазации;
• в срок, начиная с 10-го до 15-го года (2016-2020 г.) - запрет на разработку пластов с газоносностью более 12 м3/т без их скважинной дегазации;
• в дальнейшем, после 2021 г. - запрет на разработку выбросоопасных пластов с газоносностью более 9 м3/т без их скважинной дегазации.
Таким образом, при реализации данного мероприятия уже через 15 лет в России будут внедрены технологии обеспечения мета-нобезопасности подземной добычи угля, повышена прибыльность угольных шахт за счет повышения производительности и использования угольного метана и, наконец, сокращены выбросы парниковых газов, что отвечает требованиям Киотского протокола.
При таком подходе упрощается механизм государственного влияния на развитие технологий подземной добычи угля. В течение 15-летнего срока продвижения технологий извлечения и использования угольного метана средства государственного бюджета могут направляться для изучения лучших зарубежных технологий и разработки отечественных технических решений совместно с угольными компаниями, которые в этом случае становятся заинтересованной стороной и привлекают для решения задачи собственные средства.
При реализации мероприятия достигаются следующие преимущества:
- увеличение налоговых отчислений в госбюджет за счет повышения производительности шахт и исключения непредвиденных затрат на ликвидацию катастрофических аварий;
- повышение уровня безопасности работ на угольных шахтах, рост производительность труда, дополнительная прибыль за счет экономически выгодного использования угольного метана и продажи квот на выбросы парникового газа;
- сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов.
Необходимым условием изменения отношения к проблеме
угольного метана является его перевод в категорию сопутствующего полезного ископаемого.
Необходимо инициировать работу по законодательному обеспечению налоговых льгот на работы по бурению метанодобывающих скважин на шахтных полях с поверхности (по аналогии с законодательной практикой США) и по установлению повышенной цены на электроэнергию, вырабатываемую из шахтного метана (по аналогии с законодательной практикой Германии).
Предложенный стратегический подход должен сопровождаться развитием двух дополнительных направлений: организационного и научно-технического характера.
В качестве организационных мероприятий целесообразно осуществить: экономическое стимулирование работ по извлечению и использованию метана, создание специализированных хозрасчетных структур, обеспечивающих проектирование и выполнение работ по всему циклу извлечения и коммерческого использования шахтного метана.
Аналогом такой структуры может являться управление «Спецшахтомонтаждегазация» (УСШМД) угольного департамента
АО «Миттал Стил Темирау» (Казахстан). Управление выполняет следующие виды работ:
1 бурение подземных дегазационных скважин, монтаж, производство дегазационных работ;
2 заблаговременная и предварительная дегазация путем гидрорасчленения угольных пластов через скважины с поверхности (ГРП);
3 анализ эффективности дегазации, разработка и внедрение новых эффективных способов дегазации;
4 контроль над вредными выбросами в атмосферу и сбросом воды предприятиями, соответствие сбросов санитарным нормам;
5 депрессионные съемки;
6 прогноз выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород;
7 утилизация шахтного метана;
8 профилактическое заиливание и изоляция отработанных участков для предупреждения подземных пожаров, а также непосредственное тушение пожаров.
УСШМД в своем составе имеет механический цех, подразделение по ремонту техники и оборудования, ряд лабораторий и другие подразделения.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы должны быть сконцентрированы в рамках федерально-целевой программы «Метанобезопасность» с привлечением ведущих российских организаций по следующим основным направлениям:
• совершенствование (создание) и внедрение новых схем вентиляции газообильных шахт, обеспечивающих безопасность по газовому и пылевому факторам, разработка методов расчета их аэ-рогазодинамических параметров;
• совершенствование (создание) и внедрение новых способов и средств дегазации;
• разработка современных систем и средств контроля и управления газовоздушными потоками в вентиляционных и дегазационных системах;
• разработка нормативных основ обеспечения метанобезо-пасности.
Настоящая концепция отражает ведущие мировые тенденции разработки угольных месторождений и решает главную
проблему угольных шахт России - обеспечение безопасности разработки газоносных угольных пластов, повышение производительности, ресурсо- и энергосбережение и сокращение выбросов в атмосферу от парниковых газов.
— Коротко об авторах ------------------------------------
Пучков Л.А. - чл.-корр. РАН;
Сластунов С.В. - доктор технических наук,
Каледина Н. О. - доктор технических наук,
Коликов К. С. - доктор технических наук,
Шкундин С.З. - доктор технических наук,
Ельчанинов Е.А. - доктор технических наук,
Васючков Ю. Ф. - доктор технических наук, Каркашадзе Г.Г. - доктор технических наук, Малашкина В.А. - доктор технических наук,
Шек В. М. - доктор технических наук,
Королева В.Н. - доктор технических наук,
Анпилогов Ю.Г. - кандидат технических наук,
Шилов А. А. - кандидат технических наук,
Смирнов О.В. - кандидат технических наук,
Московский государственный горный университет.
Логинов А.К. - кандидат технических наук,
Задавин Г.Д. - горный инженер,
Агарков А. В. - кандидат технических наук,
ОАО «Воркутауголь»,
Презент Г. М. - доктор технических наук, Баймухаметов С.К. - доктор технических наук, Кашапов К. С. - кандидат технических наук,
Бобнев Ю.Н. - кандидат технических наук,
Грознов Н.Н. - горный инженер,
Шипулин А.А. - горный инженер,
Угольный департамент АО «Миттал Стил Темиртау».
© Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, 2007
УДК 622.411.33
