Оценка воздействия метана угольных пластов на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Л.В. Савснко, A.A. Шилов, E.A. Дерновая, 2007

УДК 502/504

Л.В. Савенко, А.А. Шилов, Е.А. Дерновая

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Семинар № 10

В наиболее авторитетных международных работах по проблеме антропогенного изменения климата признается несомненная перспектива развития глобального потепления из-за усиления парникового эффекта.

Эмиссия парниковых газов таких, как двуокись углерода, является главными виновниками этого ожидаемого изменения климата. Считается, что эмиссия двуокиси углерода из антропогенных источников наносит самый ощутимый вред вместе с метановой эмиссией. Эмиссия двуокиси углерода составляет при этом 63,5 %, метана -

20,5 %, закиси азота - 4,5 %, других

- 11,5 % [1].

По данным МТЭА, метан занимает второе место после углекислого газа по степени опасности для окружающей среды. Уже сейчас для стабилизации содержания парниковых газов необходимо сокращение выделения метана в атмосферу примерно на 15 %.

Как парниковый газ метан имеет высокую степень воздействия на изменение климата. Его прямой радиа-циионный эффект в 11 раз выше по сравнению с основным парниковым -углекислым газом (С02). Кроме прямого участия в парниковом эффекте метан способствует разрушению озонового слоя: в стратосфере он реагирует с гидроксильными радикалами, которые являются основными компонентами, дезактивирующими многие

соединения, в том числе фторхлоруг-лероды, разрушающие озоновый слой.

Общее влияние метана на глобальное потепление оценивается в 18 %.

Следует учитывать, что метан, поступающий в атмосферу, в 22 раза более эффективен с точки зрения влияния на потепление поверхности Земли, чем соответствующее количество С02. Подсчитано, что 1 кг (1,395 м3) метана наносит приблизительно в 70 раз больше вреда атмосфере, чем 1 кг (0,505 м ) диоксида углерода (через 100 лет этот вред будет в 21 раз больше).

Уменьшение поступления метана в атмосферу на 10-20 % от существующего уровня способно уменьшить потепление Земли на 1 °С за столетие, а это составит 25 % от ожидаемого уровня потепления.

Таким образом, снижение поступления метана в атмосферу становится важной составляющей при решении глобальной проблемы потепления климата Земли.

Величина естественной эмиссии метана (от болот, термитов и пр.) оценивается в 175 млн т/год. Антропогенное выделение метана достигает 385 млн т/год, в том числе угольных систем - 35 млн т/год.

В результате различных химических реакций (в основном с гидроксильными радикалами) в атмосфере поглощается 530 млн т метана в год,

что дает ежегодный его прирост порядка 30 млн т.

Наиболее перспективными с точки зрения сокращения эмиссии метана в атмосферу являются компактно расположенные, концентрированные источники, т.е. нефтегазовые и угольные системы.

За последние 10-15 лет значительно расширился круг проблем, связанных с угольным метаном. Оценка роли метана, выделяющегося при добыче угля и внезапных выбросах угля и метана, в изменении климата Земли играет большую роль, так как, во-первых, выделением метана из угольных пластов в той или иной степени можно управлять, а во-вторых, метан лучше сорбирует инфракрасное излучение.

Основная эмиссия угольного метана приходится на три ведущие угледобывающие страны: КНР, США и Россию.

На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутского месторождения и Кузнецкого бассейна. Общие ресурсы метана в угольных пластах составляют по различным источникам 48^65 3

триллионов м с учетом восточных и северо-восточных бассейнов.

Подземная разработка газоносных угольных пластов сопровождается обильными выделениями метана, ко-

Долевое участие систем метановой эмиссии на уголь■ ных месторождениях

торые составляют 91 % [1] от общей добычи угольных пластов (рисунок), 17-20 % его выделений природными источниками или 5-7 глобальной эмиссии метана на Земле.

Обычные непрерывные и внезапные дискретные выделения метана при выбросах угля и газа, кроме негативных воздействий на добычу угля, способствуют также изменению состава и свойств основных компонентов биосферы (атмосферы, гидросферы и литосферы) и ухудшению условий естественного природного обмена в биосфере, что обусловливает потепление климата на Земле. При существующем темпе роста выбросов антропогенных газообразных загрязнителей (в том числе метана) глобальная температура атмосферы планеты может постоянно повышаться.

Метан представляет собой не только основную опасность в газовых шахтах и глобальную экологическую вредность, но это в то же время высококачественный источник топлива и химического сырья.

Запасы и высокое качество угольного метана определяют его потенциальную привлекательность как самостоятельного полезного ископаемого.

В укрупненном виде все современные проблемы угольного метана можно подразделить на три:

- проблема безопасности;

- экологическая проблема;

- энергетическая проблема.

Все эти проблемы взаимосвязаны. Так, например, утилизация шахтного метана, например, в котельных реша-

ет не только энергетическую, но и экологическую проблему за счет сокращения выбросов.

Решение проблемы добычи метана в варианте заблаговременной дегазационной подготовки позволяет подойти к решению всех трех проблем [2].

Метан, сорбированный углями и горными породами угольных формаций, может откачиваться из неразрабатываемых месторождений или их участков, если его использование будет экономически рентабельно, утилизироваться как попутный продукт, получаемый при подготовке к разработке месторождения (пласта, участка пласта) или непосредственно при добыче углей. Извлечение метана из неосвоенных угольных месторождений осложняется низкой трещиноватостью угольных пластов, залегающих в природных условиях. Поэтому при подготовке добычи метана создается в них искусственная трещиноватость. С этой целью в специально пробуренную скважину под высоким давлением (до 105 МПа) "пропанты" (вода, жидкий углекислый газ или даже жидкий азот). Затем трещины закрепляются с помощью песка или керамических частиц и начинают откачку метана.

Выполненные в настоящее время исследования позволяют сделать вывод, что основными направлениями использования шахтного метана является его сжигание в качестве топлива либо непосредственно, либо после конверсии в синтетическое жидкое топливо, или применение в качестве сырья для синтеза некоторых химических продуктов.

Применение шахтного метана для химических синтезов продуктов неэнергетического использования практически полностью устраняет его парниковое воздействие. Однако предложенные с этой целью методы изучены только в лабораторных усло-

виях, и в настоящее время трудно оценить перспективы их промышленного внедрения. Поскольку синтетическое жидкое топливо, произведенное из шахтного метана, будет сжигаться, этот метод утилизации увеличит конечное парниковое воздействие (с учетом потребления энергии в этом процессе) по сравнению с прямым сжиганием шахтного метана.

Использование шахтного метана для получения одновременно тепла и электроэнергии является одним из наиболее эффективных направлений его утилизации и достигается сжиганием в турбинах и газодизельных установках различной конструкции или в топках котлов смесей шахтного метана не только с углём, но и с жидким (или газообразным) топливом. Положительные результаты получены при использовании газодизельных и газомоторных силовых установках конструкции заводов ОАО "Русский дизель", ОАО "Коломенский завод" и им. Малышева (Украина, Харьков).

Но как показывает опыт на многих шахтах Донецкого и Кузнецкого бассейнов извлечение метана не всегда приводит к повышению производительности и безопасности горных работ, а также его утилизация не всегда оправдывает средства, затраченные на дегазацию, в связи с чем, возникла необходимость непосредственного его блокирования в угле.

Основой этого способа является глубокое блокирование метана водой (в переходных и микропорах угля) при их длительном (не менее месяца) взаимодействии в системе вода

- уголь - газ.

Данный способ гидрорасчленения (без откачки через скважину воды и газа из пласта):

- технологичен (гидроразрыв - технология, широко применяемая в нефтяной промышленности);

- прост (в пласт после разрыва надо только подать воду в количестве 30 л/т запасов угля в зоне ГРП);

- не требует в дальнейшем никаких дополнительных работ (глубокое внедрение воды в поры угля вплоть до микропор и надежное блокирование в них метана происходит под действием естественных капиллярных сил);

- дешев (радиус зоны влияния одной скважины равен 150-200 м, а потому затраты на гидрорасчлененин даже при бурении в Донбассе специальных скважин глубиной порядка 1000 м были сопоставимы с обычными затратами шахт на борьбу с газом и пылью, а на выбросоопасных пластах - в несколько раз меньше);

- обеспечивает долговременное сохранение эффекта блокирования (имеется опыт отработки пласта через

9,5 лет после гидрорасчленения, а лабораторные исследования показывают, что только при нагреве угля до 140 °С удается извлечь из него всю вошедшую в микропоры воду);

- обеспечивает:

1) снижение всех газовых показателей, как в лаве, так и в штреке более чем на 70 %, что предотвращает взрывы газа метана в этих выработках;

2) обработку в режиме ГРП не только рабочего пласта, но и его пластов-спутников, что предотвращает взрывы газа на шахте вообще;

3) снижение запыленности воздуха в лаве даже без орошения на 90 % и более, что предотвращает взрывы пыли и существенно улучшает условия труда;

4) снижение прочностных характеристик пласта на 40 %, что облегчает работу комбайна, уменьшает энергоемкость добычи угля, улучшает его сортность;

5) повышение энергетической ценности и улучшение коксуемости угля за счет сохранения в нем газа;

- обеспечивает не только прямой экономический эффект, обусловленный отказом шахты от дегазации спутников и пласта из подземных выработок, но и косвенный эффект, вызванный неизбежным повышением производительности труда при работе в безопасных и комфортных условиях;

- имеет перспективу дальнейшего улучшения показателей:

1) гидрорасчленение можно проводить через геологоразведочные скважины, поскольку длительность сохранения эффекта блокирования метана доказана как при шахтных, так и при разнообразных лабораторных исследованиях, а это резко снизит стоимость работ (на бурение специальных скважин приходится 80 % всех затрат на гидрорасчленение);

2) при проведении гидрорасчленения на всем поле шахты может быть получен большой экономический эффект за счет уменьшения подаваемого в нее воздуха для разбавления метана;

3) подача в пласт не воды, а водных растворов ПАВ значительно улучшает смачиваемость угля и повышает капиллярное давление. Поэтому перспективны поиски новых ПАВ, в том числе для антрацитов;

4) имеется целый ряд лабораторных и шахтных исследований, свидетельствующих о том, что ГРП, выполненное по данному способу, является также надежным методом предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Во всяком случае, ни в одной из зон ГРП их не было, в том числе на выбросоопасных пластах Донбасса.

Результаты, полученные при исследованиях на конкретных шахтах, свидетельствуют, что при качественном выполнении гидровоздействия без откачивания рабочей жидкости обеспечивается:

1. Снижение газовых показателей (газообильность выработок, газовыде-

ление из шпуров или скважин, извлечение газа под вакуумом из проб угля и т.д.) минимум на 70 % (достигает 95 %).

2. Снижение запыленности выработок (даже без орошения) на 90 % и более.

3. Снижение прочностных характеристик угля на 35-40 %.

4. Изменение показателей, свидетельствующее об уменьшении выбросоопасности пластов, и фактическое отсутствие выбросов в зонах гидровоздействия.

5. Экономическая эффективность

гидрорасчленения: на пластах не

опасных по выбросам частично за счет прямого (снижение удельных затрат, руб./т) и главным образом за счет косвенного (повышение производительности труда) эффектов; на пластах опасных по выбросам за счет обоих эффектов в равной мере.

Из всего выше сказанного можно сделать небольшой вывод о том, что этот способ наиболее технологичен и обеспечивает при минимальных денежных затратах максимальный и надежный положительный эффект по всем показателям: снижение газовы-делений в выработки шахты, запы-

1. Снижение метановой эмиссии для предотвращения глобального изменения климата. Роль России. Г еил Джон и Фроинд Поль (Международное энергетическое агентство, Гринхаус Газ Р и Д Програм, Стоук Орчард, Челтенхем, ГЁ 52 4 РЗ, Великобритания). Сокращение эмиссии метана: Доклады II Международной конферен-

ленности в них, энергоемкости добычи угля, выбросоопасности пласта, а также повышение энергетической ценности добытого угля и его коксуемости.

На этой основе сотрудниками МГГУ проводятся опытно-промышленные работы по совершенствованию технологии заблаговременной дегазационной подготовки неразгруженных угольных пластов, в частности, гидровоздействия в режиме фильтрации.

Работы проводятся на шахтных полях Воркутинского месторождения. В настоящее время пробурено 3 дегазационных скважины с поверхности на поле шахты «Комсомольская».

В результате проделанной работы и камеральной обработки результатов исследования по насыщению угольного массива в режиме фильтрации получены зависимости, подтверждающие факт блокирования метана в угле водой, что приведет к значительному снижению эмиссии метана при отработке угольных пластов. Получены параметры технологии, при которых происходит насыщение угольного массива рабочей жидкостью при раскрытии фильтрующих объемов.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ции (на русском языке). - Новосибирск: Издательство Сибирского отделения Российской академии наук, 2000. - 800 с.

2. Пучков П.А., Сластунов С.Б., Коли-ков К. С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Изд-во МГГУ, 2002. с. 383.

И'.ЫЗ

— Коротко об авторах

Савенко Людмила Васильевна - доцент, кандидат технических наук,

Шилов Анатолий Алексеевич - доцент, кандидат технических наук,

Дерновая Елена Анатольевна - ассистент,

Московский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 10 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.А. Ельчанинов.