CC BY
34
© К.Н. Трубецкой, В. В. Гурьянов, 2004
УДК 662.69
К.Н. Трубецкой, В.В. Гурьянов
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОСВОЕНИЯ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ СОВМЕСТНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ И МЕТАНА
Семинар № 5
А нализ современного состояния под-
./л. земной угледобычи в России и зарубежных странах свидетельствует, что важнейшим фактором, влияющим на эффективность работы угольных шахт, является их газообиль-ность. Несмотря на проведенную реструктуризацию угольной промышленности нашей страны, около 80 % оставшегося количества шахт относится к метанообильным [1]. В связи с постоянным углублением горных работ число таких шахт будет возрастать.
Вместе с тем угленосные толщи основных угольных бассейнов России, и в особенности Кузбасса, являются огромными кладовыми метана. На отдельных участках и шахтных полях мощные (4-10 м) угольные пласты представляют собой крупные залежи сорбированного метана с ресурсами до 10 млрд м3 . Максимальные ресурсы метана находятся в горных отводах шахт «Распадская» (6,6 млрд м3), «Капитальная» (9,6 млрд. м3). На резервных полях ряда шахт имеются еще большие ресурсы метана. В частности на поле шахты «Ольжерасская» (17,7 млрд м3), «Томская-Глубокая» (34,8 млрд м3), «Кыргайская» (96 млрВ м^К^етствии с классификацией залежей углеводородов, применяемой в России, месторождения по запасам газа подразделяются на крупные (500-30 млрд м3), средние (30-10 млрд м3) и мелкие (менее 10 млрд м3). Таким образом, многие горные отводы действующих предприятий и резервные участки можно относить к газовым месторождениям с промышленными запасами и, следовательно, обоснованно рассматривать задачу совместной добычи на этих участках угля и угольного метана.
Рабочая группа по вопросам государственной политики развития угольной отрасли Государственного Совета Российской Федерации сделала вывод о том, что единственно возмож-
ным способом предотвращения ухудшения состояния промышленной безопасности и снижения рентабельности производства в угольной отрасли является строительство новых современных угледобывающих предприятий [3]. Такой точки зрения придерживаются многие ученые и специалисты. При этом высказывается единодушное мнение о необходимости первоочередного преодоления «газового барьера» в шахтах, решения проблемы извлечения угольного метана и его промышленного использования [4-7].
Изложенное позволяет считать, что в настоящее время назрела необходимость и созданы предпосылки для решения задачи существенного повышения эффективности подземной угледобычи, ее технической и экологической безопасности на основе изменения традиционных подходов к разработке высокогазоносных угольных месторождений и перехода к совместному освоению их топливно-энергетических ресурсов.
Огромные ресурсы метана в газоносных угольных месторождениях нашей страны, мировой опыт его добычи, результаты научных исследований и натурных экспериментов по заблаговременному извлечению метана из угольных пластов, проведенные отечественными учеными применительно к горногеологическим условиям основных угольных бассейнов России, позволяют говорить о возможности и целесообразности организации совместной добычи угля и метана в рамках единого предприятия, что подтверждается следующими данными.
Так, на шахтах Блу-Крик (США) в течение 7 лет из 85 скважин извлекалось около 1 млн м3/сутки высококондиционного метана, при этом шахта каптировала и продала 1,5 млрд м3 газа на сумму около 100 млн долл. США [8]. В
угольном бассейне Паудер Ривер (США), добываемый угольный метан используется как природный газ в национальной системе газоснабжения [9]. На шахте «Федерал» (США) на протяжении почти 3-х лет суточный дебит метана, добываемого скважинами с поверхности, в среднем составлял 44 тыс. м3. При этом, при общих расходах на добычу метана в размере 1,5 млн долл. США каптаж 1000 м3 газа обошелся в 2,05 долл. [10].
Авторы работы [11] на примере шахт Южного Кузбасса делают вывод, что в этих условиях «имеются хорошие предпосылки для эффективного извлечения угольного метана на шахтных полях и прилегающих к ним горных отводах как с целью повышения производительности шахт и безопасности ведения горных работ по газовому фактору, так и с целью использования каптируемого метана, объемы которого могут быть достаточно внушительными».
В ИПКОН РАН проводятся исследования по обоснованию и разработке принципов освоения высокогазоносных угольных месторождений подземным способом на основе организации совместной добычи угля и метана [12]. Проведенные исследования позволили обосновать новый подход к освоению топливноэнергетических ресурсов газоносных угольных месторождений, заключающийся в том, что вместо строительства и эксплуатации шахт по добыче угля с одновременным проведением мероприятий по преодолению «газового барьера» следует проектировать и сооружать комплексные горные предприятия по совместной добыче угля и метана.
Основными принципами создания таких предприятий являются обеспечение:
- высокой производительности и эффективности горно-подготовительных и очистных работ как условия повышения производительности труда и снижения издержек производства по добыче угля;
- оптимальных дебитов газодобычных скважин с целью ликвидации «газового барьера» по добыче угля и создания благоприятных условий для максимального извлечения газа из углевмещающей толщи;
- высокой, технически возможной и экономически оправданной полноты извлечения из недр угля и заключенного в углевмещающей толще метана;
- современного уровня технической безопасности производства и снижения экологической нагрузки на окружающую среду.
Реализация этих принципов возможна при условии освоения новой технологической модели подземной разработки газоносных угольных месторождений, предусматривающей совместную добычу угля и метана на основе взаимоувязки производственных процессов по добыче угля и извлечению метана во времени и пространстве.
Такая технологическая модель комплексного горного предприятия нового типа в отличие от традиционной технологической модели угольной шахты [13] будет иметь расширенное количество подсистем предприятия и определенные изменения в функциях ряда этих подсистем. В частности, в составе технологической модели такого предприятия, в числе важнейших, появляется подсистема заблаговременного извлечения (добычи) метана из углевмещающей толщи.
В функции этой подсистемы входит:
• заблаговременное извлечение (добыча) метана (до начала горных работ по подготовке месторождения к эксплуатации и очистной выемки угля) из углевмещающей толщи и угольных пластов в пределах горного отвода предприятия с целью создания безопасных по газовому фактору условий ведения горных работ на основе обеспечения требуемого уровня снижения естественной газоносности угольных пластов;
• добыча метана из участков, смежных с горным отводом предприятия (по глубине углевмещающей толщи, падению и простиранию угольных пластов);
• извлечение метановоздушной смеси из выработанного пространства и подработанной углевмещающей толщи (при завершении работ по добыче угля).
Для функционирования этой подсистемы необходимо создание в составе предприятия подразделения буровых работ с набором соответствующего оборудования и соответствующей инфраструктуры по сбору, транспортировке, очистке и подготовке к использованию добываемого газа. В определенных случаях могут создаваться специальные производства по утилизации газа (например, по выработке электроэнергии и др.).
Будут изменены и дополнены функции следующих подсистем:
• вскрытия и подготовки горного отвода (шахтного поля);
• очистных работ;
• вентиляции и дегазации;
• поверхности предприятия.
В подсистеме «Вскрытие и подготовка шахтного поля», определяющей основные планировочные решения комплексного предприятия, к функции взаимоувязки всех технологических процессов и подсистем предприятия в пространстве добавляется функция взаимоувязки производственных процессов по извлечению газа и добыче угля по времени их осуществления.
В подсистеме очистных работ кроме традиционных функций должны решаться вопросы очередности отработки выемочных участков с целью обеспечения своевременной подработ-ки-надработки смежных угольных пластов, исходя из необходимости управления их геоме-ханическим состоянием для стимулирования газоотдачи пластов и интенсификации процессов извлечения метановоздушной смеси из подрабатываемого горного массива.
В подсистеме «Вентиляция и дегазация» функция подземной дегазации пластов будет осуществляться при условии, если заблаговременное извлечение не обеспечивает требуемого уровня снижения естественной газоносности угольных пластов. В функции этой подсистемы будет также входить проведение подготовительных работ для обеспечения отбора метана из подработанной углевмещающей толщи после прекращения на горном отводе предприятия работ по добыче угля.
В подсистеме «Поверхность комплексного предприятия» кроме осуществления традиционных функций обычной шахты добавляются функции обслуживания газового хозяйства предприятия и производств по утилизации газа.
Реализация предлагаемой модели совместной добычи угля и газа при подземной разработке метаноугольных месторождений, ориентированная на выполнение вышеизложенных принципов и функций, предполагает выполнение ряда условий.
В связи с отсутствием до настоящего времени утвержденной методики оценки ресурсов и подсчета запасов метана в угольных пластах, а также необходимостью более глубокого изучения геологического строения и свойств угольных пластов, вызываемого интенсификацией горных работ и усилением внимания к вопросам технической и экологической безо-
пасности горного производства, на предпро-ектной стадии решения вопроса об организации совместной добычи угля и метана применительно к определенному метаноугольному месторождению следует проводить углубленное изучение геологических характеристик пластов, особенно их коллекторских свойств. Особое внимание при этом должно быть уделено оценке распределения метана в угле по формам его существования, имеющим большое значение при определении его запасов в пластах и месторождении, а также при выборе технологий извлечения газа и определения их параметров.
Выполненные исследования и производственный опыт свидетельствуют, что надлежащее геомеханическое обеспечение горных работ при освоении георесурсов недр является основой определения их важнейших параметров на всех стадиях: проектирования, строительства, эксплуатации и закрытия предприятия. Особое значение это положение имеет при подземной разработке метаноугольных месторождений при совместной добычи угля и метана. Без полной и достоверной оценки изменения геомеханического состояния горного массива при ведении горных работ невозможны:
• определение последовательности отработки смежных пластов и порядка их выемки по площади шахтного поля;
• выбор систем разработки и расчет их параметров;
• осуществление мероприятий по борьбе с газодинамическими явлениями и т.п.
Кроме того, проведенные исследования [14, 15] свидетельствуют о возможности использования управления геомеханическими процессами в горном массиве для интенсификации газоотдачи угольных пла-стов. Изложенное позволяет говорить о необходимости детального исследования геомеханического состояния горного массива в пределах горного отвода намечаемого к созданию горнодобывающего предприятия как на стадии его проектирования, так и на стадии разработки месторождения.
Как уже отмечалось, одним из принципиальных отличий предлагаемой модели подземной разработки метаноугольных месторождений при совместной добычи угля и метана от традиционных способов является заблаговременное извлечение метана из угольных пластов, намечаемых к первоочередной
отработке, а также добыча метана из смежных (забалансовых) участков. Научные исследования и производственный опыт свидетельствуют, что для обеспечения требуемой полноты извлечения газа и достаточно высоких дебитов газодобычных скважин необходимо проведение специальных работ по стимулированию и интенсификации газоотдачи угольных пластов на основе применения специальных воздействий на горный массив или угольный пласт.
Опыт нефтегазовой промышленности и работ по промысловой добыче метана угольных пластов [2, 16] свидетельствует, что для выбора рациональных параметров отработки месторождений в течение 3-5 лет должна осуществляться опытно-промышлен-ная эксплуатация (ОПЭ) данного месторождения, во время которой, в том числе, проводятся опытные работы по выбору методов интенсификации газоотдачи пластов и определению их оптимальных параметров, которые затем закладываются в проект эксплуатации этого месторождения. Из этого следует, что на стадии принятия решения о разработке конкретного метаноугольного месторождения при совместной добыче угля и метана необходимо планировать проведение указанных работ по опытной проверке и оценке перспективных методов воздействия на горный массив или угольные пласты и определения их параметров в данных горногеологических условиях.
В целях ускорения практической реализации предлагаемой модели подземной разработки метаноугольных месторождений необходимо в ближайшее время выполнить комплекс научно-проектных проработок по определению технической и экономической целесообразности использования предлагаемых подходов по совместной добыче угля и метана применительно к конкретным горно-геологическим и производственно-техническим условиям. Наиболее подходящими объектами могли бы быть угольные шахты, намечаемые к реконструкции.
Ключевым вопросом организации совместной добычи угля и метана является обеспечение заблаговременного извлечения угольного метана из первоочередных пластов (участков), намечаемых к отработке по добыче угля, позволяющего снижать естественную газоносность угольных пластов выбранного объекта (шахты, опытного участка) до величины, не превышающей 8-10 м3/т. При этом проблема ликвидации газового барьера при добыче угля
может решаться на основе применения эффективных схем вентиляции.
Исходя из этого, при планировании указанных научно-проектных проработок первоначально следует выполнить комплекс научных исследований и опытных работ по обоснованию, разработке и опытной проверке эффективных способов интенсификации газоотдачи угольных пластов в рассматриваемых горноге-логических условиях, обеспечивающих требуемую степень их дегазации.
С учетом изложенного, наиболее рациональными будут следующие перечень и очередность проведения указанных исследований и разработок, проводимых применительно к конкретным горногеологическим условиям залегания намеченного угольного месторождения.
1. Оценка газоотдающей способности угольных пластов конкретного угольного месторождения. Выбор опытного участка.
2. Лабораторные и натурные исследования природной газопроницаемости угольных пластов на опытном участке.
3. Обоснование и разработка методов определения возможной газоотдачи угольных пластов в конкретных горно-геологических условиях.
4. Обоснование и выбор рациональных способов интенсификации газоотдачи угольных пластов в рассматриваемых горногеологических условиях.
5. Опытные испытания рекомендуемых способов интенсификации газоотдачи угольных пластов в условиях выбранного участка.
6. Обоснование и определение основных параметров (показателей) заблаговременного извлечения угольного метана применительно к условиям опытного участка.
7. Разработка бизнес-плана на осуществление заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных пластов выбранного угольного месторождения.
8. Обоснование и разработка технологической модели комплексного предприятия по совместной добыче угля и метана применительно к горногеологическим условиям рассматриваемого месторождения.
9. Разработка технико-экономического обоснования на проведение работ по совместной добыче угля и метана в условиях выбранного угольного месторождения.
Для выполнения указанных работ следует привлечь бассейновые (региональные) научные
и проектные организации угольной промыш- тересованных угольных компаний страны и
ленности. Естественно, что для решения задач Департамента угольной промышленности Ми-
такого масштаба необходима поддержка заин- нистерства энергетики России.
1. Гринько НК, Забурдяев B.C. Нерешенные проблемы очистных забоев в российских угольных шахтах // Уголь, 2003, №1, с.28-31.
2. Карасевич А.М., Хрюкин В.Г., Зимаков Б.М., Матвиенко Н.Г. и др. Кузнецкий бассейн - крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов. М.: Изд-во АГН, 2001, 86 с.
3. Государственный Совет Российской Федерации, рабочая группа по вопросам государственной политики развития угольной отрасли. Доклад об основных направлениях государственной политики развития угольной отрасли и повышения конкурентоспособности ее продукции на внутреннем и внешнем рынках // Уголь, 2002, №10. С. 9-22.
4. Грицко Г.И. Проблемы добычи метана из угольных пластов и шахт // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового проекта. 1995. №3. С.1-2.
5. Бирюков Р.А. Угольная шахта XXI века // Уголь. 2002. №2. С.21-22.
6. Диколенко Е.А., Рубан А.Д., Крашкин НС. Концепция технологического развития подземного способа добычи угля в Российской Федерации (тезисы) // Уголь. 2002. №1. С.25-29.
7. Трубецкой К.Н, Стариков А.В., Гурьянов В.В. Добыча метана угольных пластов - перспективное направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений // Уголь. 2001. №6. С.36-38.
8. Куускраа В.А. Снижение эмиссии метана на угольных шахтах: бассейны Ворриэр и Кузнецкий. // Сб. Сокращение эмиссии метана (доклады II Международной конференции). Новосибирск. Изд-во СО РАН. 200. С. 339-347.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
9. Штарцахер К. Проблемы каменноугольной промышленности и создание «Форума устойчивого развития». Глюкауф. 2001. №2(4). С. 9-14.
10. Забурдяев B.C. Зарубежный опыт промысловой добычи угольного метана и ее перспективы в Кузнецком бассейне. Уголь. 2003. №2. 21с.
11. Зайденварг В.Е., Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Захаров В.Н. Прогноз объемов извлечения метана на полях шахт Томь-Усинского и Мрасского районов Кузбасса. Уголь. - 2001. - №10. - С. 15-18.
12. Трубецкой К.Н, Гурьянов В.В. Повышение эффективности подземной разработки высокогазоносных угольных месторождений на основе организации совместной добычи угля и метана // Уголь. 2003. №9. С. 3-6.
13. Методологические положения по созданию шахт нового технико-экономического уровня. М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1974. С. 70-73.
14. Гурьянов В.В., Иофис М.А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами в горном массиве // МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. №7. С. 146149.
15. Гурьянов В.В., Трофимов В.А., Шик В.М. Результаты моделирования геомеханических процессов в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов // МГГУ. Горный информационноаналитический бюллетень. 2002. №6. С. 62-66.
16. Закиров С.Н. Теория и проектирование разработки газовых и газоконденсатных месторождений. - М.: Недра. 1989. 237 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------
Трубецкой Климент Николаевич — академик РАН, директор,
Гурьянов Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения РАН.
