CC BY
71
-------------------------------------------- © А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев,
2004
УДК 622.411.33:533.17
А.Д. Рубан, В. С. Забурдяев
ОПЫТ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА В РОССИНИ ФРГ
Семинар № 5
Дефицит нефти и природного газа, являющихся основными энергоресурсами в мире, неизбежен в ближайшие десятилетия, что приведет к необходимости использования других энергоносителей, к числу которых следует отнести, в первую очередь, уголь [1], а также метан угольных месторождений, главным образом, метан угольных шахт, попутно добываемый с углем средствами дегазации [2]. 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.
Определяющим фактором использования метана в угольных регионах являются его ресурсы, поскольку объемы и плотность распределения метана в угленосных отложениях изменяются в значительных пределах. Так, плотность распределения метана в угольных пластах геологопромышленных районов Кузбасса колеблется от
4 до 893 млн. м3/км2 при средних значениях 62339 млн. м3/км2, а его ресурсы - от 31 до 8053 млрд. м3. При этом ресурсы метана промышленного значения составляют 1-260 млрд. м3 [3].
При общих ресурсах угольного метана в Кузнецком бассейне, равных 26,7 трлн. м3, на долю угольных пластов приходится 6,6, про-пластков угля - 0,6 и вмещающих пород 19,5 трлн. м3. Ресурсы метана промышленного значения составляют в Кузбассе 1,06 трлн. м3, в Воркутском месторождении - 0,5 трлн. м3 при общих ресурсах 3,2-4Д трлн. м3, в числе которых 1,9-2,6 трлн. м3 приходится на угольные пласты и пропластки [3].
Достоверность данных о ресурсах угольного метана является определяющим фактором при разработке проектов на извлечение и ис-
пользование шахтного метана. Однако, анализ известных методик для прогноза ресурсов и запасов метана свидетельствует о значительных расхождениях в данных прогноза [4].
При геолого-экономической оценке запасов в соответствии с нормативно-методическими требованиями [5] метод определения промышленных ресурсов метана в угольных месторождениях заключается в подсчете запасов угля и метана как попутного полезного ископаемого. Геологической основой подсчета служат закономерности распределения природных газов в угольных месторождениях, количественные характеристики метаноносности угольных пластов и пород, их изменения с глубиной залегания и по площади шахтных полей. Общие ресурсы метана в пределах шахтного поля (блока, пласта, горизонта) определяются путем перемножения запасов угля в нем на среднюю ме-таноносность угля и на коэффициент сухой беззольной массы. К ресурсам метана, заключенного в угольных пластах, прибавляются объемы метана, содержащегося в порах и трещинах вмещающих угольные пласты пород.
На полях действующих шахт применяются два метода прогноза ресурсов метана. Один из них основан на учете данных о метаноносности угля отрабатываемого пласта, прогнозе мета-нообильности участка (или участков) и долевом ее участии в метанообильности шахты [6, 7]. При этом используются рекомендации действующих нормативных документов, таких как руководство по проектированию вентиляции и руководство по дегазации угольных шахт. Другой метод базируется на анализе данных прошлых лет о добыче угля и метановыделениях в шахтах и на выемочных участках. Этот ретроспективный метод прогноза ресурсов метана на полях угольных шахт учитывает опыт и технологию подземной разработки угольных пластов, объемы добычи угля и выделения метана, осо-
Таблица 1
Метанообильность добычных участков и объемы извлечения метана (по данным ВТБ шахт)
Угольные бассейны, месторождения, регионы Метанообильность участков, м3/мин Объемы извлечения метана, м3/мин
Общая Дегазацией Г азоотсосом Дегазацией и газо-отсосом
всего средняя на забой всего среднее на забой всего среднее на забой всего среднее на забой
Печорский 400 30,9 237 30,9 - - - -
Южный Кузбасс 435 13,2 - - 80,9 22,6 206,2* 38,2 27,3
Прокопьевско- Киселевский 80 1,5 0,35 - - - - -
Северный и Центральный Кузбасс 300 8,5 22,6 22,6 120 17 88,1 61,7 33,6
Восточный Донбасс 30 4,7 24 9,5 - - - -
Урал 25 2 0,7 - 0,9 - 3 1,7 -
Дальний Восток 10 0,8 - - - - - -
Сахалин Итого: 45 1325 11,3 284,6 201,8 297,3 101,6
*Чисдитедь - всего, знаменатель - дегазацией.
бенности проветривания выемочных участков и эффективность их дегазации [4, 8].
На горных отводах ликвидируемых шахт для прогноза ресурсов метана и возможных объемов его извлечения используются ретроспективный метод определения взаимосвязи между интенсивностью метановыделения и добычей угля за последние годы затухающей работы шахты и отдельно ее добычных участков, фактические данные о метановыделении на шахте и выемочных участках после прекращения работ по добыче угля, исходные данные об объемах изолированных выработанных пространств и продолжительности их существования, о метаноносности угольных пластов, их природной газоотдаче, наличии сближенных пластов угля и об их местоположении относительно рабочего пласта и изолированного выработанного пространства. При этом, применительно к каждому оставленному или ранее отработанному очистному забою и к его изолированному выработанному пространству устанавливается динамика накопления и выделения метана с целью определения остаточных его ресурсов в изолированных пространствах [8-10].
Первый из упомянутых методов применим в основном для оценки объемов метана, заключенного в углепородных толщах газоносных месторождений каменных углей и антрацитов, второй и третий - для прогноза потенциальных ресурсов метана, возможных для извлечения на действующих шахтных полях с целью последующего его использования, а четвертый - для определения остаточных объемов метана в изолированных старых выработанных пространствах ликвидируемых и действующих шахт, целесообразности его извлечения и утилизации, оценки вероятности проникновения метана в здания, сооружения и бытовые помещения, размещенные на поверхности горного отвода шахты, либо его прорыва в выработки закрываемой или действующей шахты.
Российские угольные бассейны являются крупной отечественной сырьевой базой для энергетической, металлургической и коксохимической промышленности [1]. Месторождения располагают крупнейшими в мире запасами каменного угля и являются самыми метаноносными: 8,3 кг метана в 1 т угля, против 7,4 кг/т в Великобритании, 6,7 кг/т в КНР, 5,0 кг/т в США [11].
Ресурсы метана, заключенные в пластах угля на действующих шахтных полях, являются наиболее доступными для извлечения. В запасах углей категории А+В+С1 содержится 260 млрд. м3 метана, а в промышленных запасах углей - 160 млрд. м3, четвертая часть которых может быть извлечена с помощью существующей в России технологии ведения дегазационных работ.
В 2001 г. на 193 выемочных участках 82 газовых шахт РФ, где применялись способы дегазации и газоотсоса, выделялось 1325 м3/мин метана (табл. 1), из которых 783 м3/мин извлекалось дегазационными системами шахт и вентиляторными газоотсасывающими установками, т.е. 59,1% общей метанообильности 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 газо-отсос - 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.
При существующей технике и технологии ведения дегазационных работ на угольных
шахтах объемы каптированного метана могут быть повышены в 1,5-1,7 раза в Кузнецком бассейне и в 1,2-1,3 раза в Воркуте. В перспективе при реализации новых техникотехнологических решений, предложенных наукой [8, 12], эти объемы могут возрасти троекратно в Кузбассе и двукратно в Воркутском месторождении.
Повышение эффективности дегазации угольных пластов невозможно без современных средств бурения скважин и интенсификации процессов метановыделения из неразгруженных пластов, тем более, что в ближайшие годы планируется добывать 400-500 тыс. т угля в месяц из одной лавы. Длина лав может достигать 300-350 м. Серийно выпускаемые в России буровые установки не отвечают требованиям, предъявляемым к параметрам технологии ведения дегазационных работ на высокопроизводительных добычных участках, ни по скорости, ни по длине и тем более по направлению их бурения.
Опыт промышленной утилизации шахтного метана накоплен в Воркуте, где каптируемые дегазационными системами газовоздушные смеси используются путем их сжигания в топках котельных шахт и калориферов, в сушильных отделениях обогатительных фабрик [13]. Обогрев паровых котлов осуществляется в котельных 3 шахт (шахты «Воркутинская», «Заполярная» и «Комсомольская»), подогрев воздуха, подаваемого в шахтный ствол, - на шахте «Северная», сушка - на обогатительной фабрике шахты «Северная». Сжигание метана производят также в топочном устройстве термоаэроклассификатора (шахта «Воркутинская») и в газомоторной установке (ГМУ) «Катерпиллар»
Таблица 2
Расход метана на установленную мощность газового оборудования на шахтах ОАО «Воркутауголь»
Шахта Газовое оборудование Установленная мощность, Гкал/ч Необходимый расход метана (100%), нм3/мин
Северная Автономный газовоздушный нагреватель (АГВ) 18 41,4
Сушильные установки 30 69,2
ГМУ «Катерпиллар» 1*> 5,3
Котельная 14,6 33,6
Воркутинская Топочное устройство термоаэроклассификатора 10 24,2
Заполярная Котельная 16,8 39
Комсомольская Котельная 24 55,8
Всего: 114,4 268,5
1 1000 кВт.ч электроэнергии и 1 Гкал/ч тепла
для генерирования электрической энергии и тепла (шахта «Северная»). Расход метана (100%) на установленную мощность газового оборудования приведен в табл. 2 [14].
Расход метана на выработку 1 т/ч пара составляет: при 100 % - 1,292 нм3/мин, 50 % -2,58, 40 % - 3,23 и 35 % - 3,69 нм3/мин, а на выработку 1 Гкал/ч тепла - 2,3 нм3/мин [14].
Показатели работы 7 вакуум-насосных станций 4 шахт ОАО «Воркутауголь» (см. табл. 2) свидетельствуют о том, что в 2002 году с помощью 28 вакуум-насосов извлекалось 710 м3/мин метановоздушной смеси при средней концентрации метана 38%, т.е. 270 м3/мин метана в пересчете на 100%. С учетом сезонности в 2001 году было утилизировано 38,7 млн. м3 метана, а в 2002 году - 40,2 млн. м3.
В Кузнецком угольном бассейне каптируемый в шахтах метан в промышленных масштабах пока не используется. В опытном порядке метан дегазации в разное время утилизировался на шахте «Чертинская» (газомоторные установки «Катерпиллар» и ЭП-200) и на шахте «Комсомолец» (опытный образец ГМУ).
Современный зарубежный опыт утилизации шахтного метана значительно шире российского [3, 4].
В Федеративной Республике Германии по добыче угля в 2003 году работали 10 шахт, в которых производство каменного угля составило 26 млн. т товарного угля (данные 2002 г.). Горные работы по подготовке и отработке пластов угля на различных шахтах достигли 10001500 м, метаноносность угольных пластов составляет 20-25 м3/т. Из действующих шахт земли Северный Рейн-Вестфалия (СРВ), где запасы угля оценены в 20 млрд. т, при годовом метановыделении из шахт, равном 810 млн. м3, дегазационными системами извлечено 415 млн. м3 метана, из них утилизировано 261 млн. м3 [15]. Коэффициенты извлечения и утилизации шахтного метана составили 0,51 и 0,32 соответственно, а коэффициент использования каптированного метана - 0,63, что в 2,2 раза выше показателя по шахтам ОАО «Воркутауголь», где коэффициент утилизации каптированного метана составил 0,28.
Успешному решению проблемы метана на шахтах Германии способствует Горный закон, согласно которому угольный метан отнесен к полезному ископаемому и принадлежит шахтам, принося им дополнительные доходы от его добычи и реализации. В связи с этим шахты заинтересованы в эффективном ведении де-
газационных работ. Последние, в свою очередь, способствуют безопасной работе шахт по газовому фактору, сбережению энергоресурсов и защите окружающей среды.
По информации [15], представленной на презентации земли СРВ, состоявшейся в Москве (Выставочный комплекс Красная Пресня, ЗАО Экспоцентр) 9-11 июня 2003 года на шахтах ФРГ около 40 лет не происходили взрывы метана, чего нельзя сказать о российских шахтах, где за этот период ежегодно регистрировалось от 6 до 23 вспышек и взрывов метановоздушных смесей, в результате которых погибало в отдельные годы от 2 до 106 шахтеров. Катастрофические цифры гибели людей на шахтах России обусловлены были еще и тем, что взрывы метана инициировали взрывы пылевоздушных смесей в сети горных выработок и в выработанных пространствах шахт, допустивших загазирование забоев (вследствие нарушения их проветривания, отсутствия дегазации или низкой ее эффективности) и воспламенение метановоздушной смеси.
В целях защиты населения и наземных сооружений от проникновения шахтных газов действует специальное распоряжение правительства земли СРВ, а горный надзор выдает лицензии на добычу метана на горных отводах закрывающихся или уже закрытых «сухим» способом шахт. Таких лицензий выдано 42. При этом владельцы ликвидируемых шахт, принадлежащих различным компаниям, несут ответственность за дегазационные системы, а за наземные трубопроводы и транспортировку газа до потребителя отвечает покупатель газа. При этом содержание метана в каптируемых газовоздушных смесях, подаваемых потребителю, не должно быть ниже 35 % (объемных), что накладывает особые требования к состоянию дегазационных систем и сети наземных трубопроводов. Каптируемый газ используется в основном для выработки электроэнергии и тепла.
В докладе [15] были приведены фактические данные об успешном извлечении и утилизации метана на снятых с эксплуатации шахтах земли СРВ (фирма «Minegas») и на действующих шахтах компании «RAG Acti-engesellschaft» (фирма «Mingas-Power»). Общая установленная мощность электростанций на каптируемом газе обеих фирм будет составлять 125 МВт, что выведет их на одно из ведущих мест среди фирм ФРГ по утилизации шахтного метана. В I половине 2003 года в работе нахо-
дились 65 модулей, которые производили 80 МВт-ч электроэнергии. На действующих шахтах в работе были 30, а на закрываемых - 35 модулей. К концу 2003 г. планировалось довести число модулей до 100.
Установки контейнерного типа содержат модули мощностью 0,9-1,5 МВт. Коэффициент полезного действия таких установок по выработке электроэнергии составляет 40 %, а по производству электроэнергии и тепла - 90 %. В ближайшие годы фирмы планируют выход на иностранные рынки и, прежде всего, на рынки Польши, России, Украины и КНР. Опыт использования этой новой технологии на шахте «Лоберг» показал, что каптируемый в шахтах метан может быть утилизирован на 100 %. Цена 6-ти модулей мощностью 1,35 МВт каждый составляет 6,5 млн. евро, срок окупаемости - 5 лет.
На действующих шахтах ФРГ вакуум-насосные станции (ВНС) оборудованы, как правило, 5 вакуумными насосами. Дебит каптированного метана на действующих шахтах составляет 85-170 м3/мин, а на ликвидируемой
- 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 % каптированного.
Общие объемы извлечения метана на шахтах Германии к 2002 г. существенно снизились в связи с резким сокращением числа шахт и, следовательно, объемов добычи угля и метано-
1. Рубан А.Д., Шатиров С.В., Гранин И.В. Газоугольная стратегия в топливообеспечении России (на период 2001-2003 гг.). - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. 2000. - 100 с.
2. Руководство по дегазации угольных шахт России (первая редакция). Люберцы, 2002, 216 с.
3. Газообильность каменноугольных шахт СССР: Комплексное освоение газоносных угольных месторождений. - М.: Наука, - 1990. 216 с.
4. Забурдяев B.C. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования //Горный вестник. - 1994. - №1. С.34-39.
5. Временные методические требования к геологоэкономической оценке и подсчету запасов метана в угольных пластах. - М.: 1987. - 12 с.
6. Забурдяев B.C. Метан угольных шахт: ресурсы, объемы выделения, состояние и перспективы извлечения // Научн. сообщ./ ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского.
- М., 2002. - Вып. 322. - С. 122-129.
7. Забурдяев B.C. Перспективные объекты РФ для утилизации угольного метана // Горный информационно-аналитический бюллетень. - МГГУ. - 2001. - №5. - С. 35-41.
выделения (за 50 лет производство каменного угля подземным способом уменьшилось с 150 до 26 млн. т/год). Обусловлено это, прежде всего, нерентабельностью глубоких шахт и поставками дешевых энергоносителей из России.
Германия, немецкие предприятия, их руководители и специалисты весьма ответственно относятся к положениям Киотского протокола. Изданы соответствующие его положения, законы федерального уровня и правительства земли СРВ. К их числу относятся: закон о возобновляемых видах энергии, закон по газу и цене электроэнергии, вырабатываемой на шахтном газе; закон о дополнительном использовании рудничного газа и др. Согласно Протоколу и этим законам Германия должна к 2005 г. снизить выбросы парниковых газов на 25 %, а к 2010 г. удвоить добычу рудничного газа, т.е. метана. Объемы вредных выбросов парниковых газов должны сократиться к 2005 году на 70 млн. т в пересчете на углекислотный эквивалент. При этом снижение угледобычи в ФРГ естественным образом способствовало уменьшению вредных выбросов в атмосферу на 15 млн. т, а остальную разницу планируется покрыть путем применения экологически чистых технологий, в числе которых перспективные технологии по использованию возобновляемых энергоисточников, включая шахтный метан.
Новые оригинальные разработки на уровне «ноу-хау» и патентов - наше будущее, а оно в наших головах.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / B.C. Забурдяев, А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев и др. - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 316 с.
9. Забурдяев B.C., Бардышев Е.В. Особенности ме-тановыделения на закрываемой шахте «Зыряновская» // Научн. сообщ./ ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 2002. - Вып. 321. - С. 15-25.
10. Зайденварг В.Е., Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Бардышев Е.В. Методические положения оценки остаточных ресурсов метана и возможных объемов его извлечения на закрываемых шахтах // Уголь. - 2002. - №11.
- С. 7-12.
11. Гейл Джон, Фройнд Поль. Снижение метановой эмиссии для предотвращения глобального изменения климата. Роль России // Труды II Межд. конф. «Сокращение эмиссии метана». - Новосибирск, 2000. - С. 70-78.
12. Забурдяев B.C., Рубан А.Д., Сергеев И.В. и др. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделе-нием на угольных шахтах. - Люберцы - Макеевка, 2000.
- 117с.
13. Рубан А.Д. Технологии извлечения и использования метана угольных шахт: опыт и перспективы // Труды II Межд. конф. «Сокращение эмиссии метана». -Новосибирск, 2000. - С. 563-567.
14. Материалы к совещанию «Опыт использования попутного газа (метана) на угольных шахтах Ворку-
— Коротко об авторах —
Рубан А.Д. - чл.-корр. РАН,
Забурдяев В. С. - кандидат технических наук, ИПКОН РАН.
У7Т ще в V в. до н.э. древнегреческий философ Гераклит Эфесский отметил: «Мудрость состоит в том, чтобы ...прислушиваясь к природе, поступать с ней целесообразно». Прошло две с половиной тысячи лет, и мы сейчас видим, как был прав Гераклит.
По мере развития человеческого общества в техногенную миграцию атомов вовлекается все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 62, в 1915г. -71, в настоящее время - все известные на Земле элементы, а также радиоактивные изотопы известных элементов**.
Совокупность процессов образования живого вещества из химических элементов окружающей среды и разложения органических веществ образуют единый биологический круговорот в природе. Появление зеленых растений явилось новым этапом в истории Земли. За
^ Геохимия ландшафта. М., «Астрея-2000», 1999, 764 с.
ты с целью повышения эффективности дегазации». -Воркута. - Июнь 3-7, 2002. - 19с.
15. Ренер Вольфганг. Добыча и использование рудничного газа в земле Северный Рейн-Вестфалия // Материалы презентации земли Северный Рейн-Вестфалия в России / Форум II. Энергия и защита климата. Москва, 11 июня 2003 года (резюме докладов).
© Г. С. Забурдяев, 2004
Семинар № 5
миллиарды лет геологической истории зеленые растения в процессе фотосинтеза сделали атмосферу кислородной. Кислород, а также водород и углерод благодаря высокой химической активности и большим содержанием в природе оказали огромную роль на атмосферу Земли и ее водную поверхность. По В.И.Вернадскому, свободный кислород - самый могущественный деятель из всех нам известных химических тел земной коры, а жизнь
- это борьба за газ, за кислород.
Если кислород является геохимическим диктатором, определяющим геохимическое своеобразие системы воздушной миграции элементов в биосферу, то углерод в виде угля, нефти и газа - геохимическим аккумулятором солнечной энергии на Земле.
Под влиянием деятельности человека изменяются химический состав и физическое состояние атмосферы и океана. Увеличение производства энергии от 5 до 10 % в год приводит к значительному изменению климата на планете. Например, в районах, где в качестве топлива и производства энергии используют уголь, нефть и газ, накопленные природой на протя-
УДК 502.76 Г. С. Забурдяев
ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ В ОПАСНОСТИ
