CC BY
87
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.С. Забурдяев, 2001
УДК 622.411.33:658.567.1 % -- N ^
В.С. Забурдяев
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЪЕКТЫ РФ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
Д
ефицит традиционных в последние десятилетия видов топлива, главным образом нефти и газа, на фоне сложившейся в России энергетической ситуации приводит к необходимости использования других энергетических ресурсов в том числе и нетрадиционных, основным из которых является угольный метан.
В грядущем 21 веке каменному углю отводится роль основного энергоносителя. Поэтому научная общественность основных угледобывающих стран (КНР, США, Индия, Россия и др.) уделяет особое внимание комплексу вопросов эффективной разработки и использования угля и его энергетической составляющей - метана, который присутствует в угленосных толщах практически всех месторождений мира.
Весьма пристальное внимание угольному метану отводится на международных симпозиумах, семинарах и конференциях, основными из которых в последние годы являются научные симпозиумы и семинары по метану угольных пластов в Алабаме (США), конференции по эмиссии метана в России и на Украине, а также конференции научно-исследовательских институтов по безопасности в горном деле и конференции, посвященные вопросам добычи угля и метана, экологии атмосферы Земли, почв и водоемов.
Угольные месторождения Российской Федерации наиболее метанообильные в мире. Среди них особое место занимают Воркутское месторождение и Кузнецкий бассейн. Метановый потенциал их наиболее высокий в мире и составляет 8,3 кг на 1 т угля, против средней в мире величины 4,9 кг/т.
В РФ в настоящее время функционируют 113 опасных по метану угольных шахт. К наиболее метанообильным отнесены 70 шахт, в их числе сверхкатегорные, III категории и опасные по внезапным выбросам угля и газа шахты. С применением дегазации работают 30 шахт, в т.ч. в Кузбассе
- 17, в Воркуте - 6. В шахтах выделяется 2400 м3/мин метана, 75 % этого объема приходится на шахты с дегазацией. Дебит каптированного метана составляет 565 м3/мин, причем на шахтах Кузбасса средствами дегазации извлекается 225 м3/мин метана, а в Воркуте - 310 м3/мин, из которых только 55-60 м3/мин утилизируется.
Коэффициент извлечения метана за счет средств искусственной дегазации составляет по шахтам РФ - 0,23, Кузбасса - 0,17, Воркуты - 0,43. Объемы извлекаемого метана могут быть повышены при существующей технологии дегазации шахт в 1,3-1,5 раза в Кузбассе и в 1,2-1,3 раза - в Воркуте. При внедрении новых разработок, повышающих интенсивность процесса газоотдачи угольных пластов, объемы каптируемого из неразгруженных пластов метана в Кузбассе могут быть повышены в 3-5 раз.
Наиболее перспективными для использования каптируемого метана в настоящее время являются шахты ОАО «Воркута-уголь», где они расположены достаточно компактно и имеется многолетний опыт эффективного извлечения и промышленной утилизации угольного метана, а также перспективные регионы (участки) Кузбасса, прежде всего группы шахт ОАО УК «Куз-нецкуголь» и ОАО «Междуре-ченскуголь». К числу таких групп шахт в Кузбассе можно отнести три.
Группа 1. Высокогазообильные шахты «Аба-шевская», «Зыряновская» и «Юбилей-ная» (ОАО УК «Кузнецкуголь») работают на угленосных отложениях в Байдаевском районе Кузбасса. Этот район коксующихся углей расположен в юговосточной части бассейна на правом берегу р. Томь. В разрезе продуктивных отложений района насчитывается свыше 45 угольных пластов мощностью от 0,4 до 4,5 м, в т.ч. до 35 пластов рабочей мощности. Угол падения пластов - 10-250.
Общая и промышленная угленосность в районе уменьшается с юго-запада на северо-восток. Степень метаморфизма углей увеличивается также с юго-запада на северо-восток и со стратиграфической глубиной. В верхней части разреза залегают угли марки Г (пласты 38-26а с выходом летучих веществ 36-39 %), в средней части - угли марок Г, ГЖ и Ж (пласты 26а-20 с выходом летучих веществ 35-37 %) и в нижней части - угли марки Ж (пласты 16-1 с выходом летучих веществ 30-33 %). Глубина погружения верхней границы метановых газов составляет 70-160м. Природная метаноносность угольных пластов возрастает с глубиной их залегания и с увеличением степени метаморфизма угля. Средние ее величины составляют 16-17м3/т, а на глубине свыше 400-500м - достигают 25м3/т.
Общие запасы угля в Байдаевском районе составляют 9,1 млрд. т. На этих запасах работают 9 шахт, в т.ч. «Абашевская», «Зыряновская», «Юбилейная», на которых применяют дегазацию угольных пластов и выработанного пространства. В ближайшее время дегазационные работы будут начаты на шахте «Есаульская». Вблизи шахт «Абашевская» и «Зыряновская» находится закрытая шахта «Байдаевская», работавшая с дегазацией. Общие ресурсы метана в Байдаевском районе составляют 43 млрд м3, средняя величина удельных ресурсов - 79 млн м3/км2 [1].
Группа II. Высокогазообильные шахты «Томская» (ОАО УК «Кузнецкуголь»), им. В.И.Ленина и «Усинская» (ОАО «Между-реченскуголь»), а также самостоятельная ЗАО «Шахта «Распадская» и вновь восстанавливаемая шахта им. Шевякова работают на месторождениях угля в Томь-Усинском и Мрасском районах Кузбасса. Эти районы расположены в крайней юго-восточной части бассейна. В геологическом отношении оба района представляют единое целое с общей площадью 1500 км2. Протяженность Томь-Усинского района 35 км, Мрасского - 25 км. Угленосность района изменяется как по площади, так и со стратиграфической глубиной. В отложениях Балахонской серии число угольных пластов достигает 60, а рабочую мощность 0,7-6 м имеют около 30 пластов. Угленосность верхних трех свит Балахонской серии равна 11,5 %, а нижней - 1,1-1,8 % [1]. Наиболее мощными (т = 6-10 м) являются пласты III, IV- V и VI. Падение пластов пологое и наклонное (10-30°).
Распадское месторождение приурочено к Кольчугинской серии и содержит 15-18 пластов угля, рабочие из них преимущественно мощные.
По качеству угли в районах в основном коксующиеся (марки К-К2, КЖ, ОС). Запасы угля в этих районах достигают 78 млрд т [1]. Метано-носность угольных пластов в обоих районах закономерно изменяется с увеличением стратиграфической глубины с северо-востока на юго-запад. Максимальная метаноносность угольных пластов достигает 26-29 м3/т.
По оценке геологов общие ресурсы метана в угольных пластах Томь-Усинского района составляют 1,0 трлн м3, а пластов Мрасского района - 0,29 трлн м3. Средняя величина удельных ресурсов метана в Томь-Усинском районе - 339 млн м3/км2 и максимальная 650 млн м3/км2, а в Мрасском районе - максимальная 1230 млн
м3/км2 [1].
Группа III. К этой группе шахт можно отнести шахты «Осинниковская», «Тайжина» и «Алардинская» а также закрываемые шахты «Капитальная» (верхние горизонты шахты «Осинни-ковская») и «Высокая». Все шахты входят в ОАО УК «Кузнецкуголь». Шахты «Осинниковская» и «Тайжина» функционируют в Осиновском, а шахта «Алардинская» - в Кондомском районах Кузбасса, территориально расположенных в средней части южной окраины бассейна.
В Осиновском районе Кузбасса насчитывают 30 угольных пластов, из которых 20 рабочей мощности (т = 0,7-2 м). Символика пластов буквенная. Углы падения пластов - 10-300. Метаморфизм углей при общей выдержанности петрографического состава увеличивается с глубиной и в направлении с юго-запада на северо-восток. Газовые угли находятся в пластах Елбанской толщи (пласты Ем - Е^, выход летучих веществ 36-38 %), жирные угли - в пластах Подкаштин-ской толщи (пласты П4 - Пь выход летучих веществ 27-29 %), в пластах Кандалепской толщи (пласты К5 - Кь выход летучих веществ 29-31 %) и Елбанской толщи (пласты Ец - Еь выход летучих веществ 32-36 %).
Метаноносность угольных пластов изменяется по площади и достигает 22-26 м3/т. Общие ресурсы метана в угольных пластах Осиновского района составляют 9 млрд м3, а средняя величина удельных ресурсов - 267 млн м3/км2, максимальная - 793 млн м3/км2. На балансе шахт находятся 506 млн т угля [1].
В Кондомском районе угольные пласты собраны в крупные синклинальные складки. В составе Балахонской серии залегают 25-48 угольных пластов суммарной мощностью 53-84 м. Мощность пластов 3, 4 и 6 (цифровая символика) местами достигает 9-14 м. Угол падения пластов 10-200.
На поле наиболее метанообильной шахты «Алардинская» метаноносность пластов угля нарастает с запада на восток, что связано с изменением рельефа местности в этом направлении (рост отметок поверхности земли). Метаноносность верхних пластов (пласты 1, 3-3а-3б) достигает 20-21 м3/т на горизонтах +0...-300 м, а более глубоких пластов (пласты 6-12) - 22-27 м3/т.
Запасы угля в Кондомском районе составляют 40,4 млрд т, ресурсы метана - 970млрд м3, средняя величина удельных ресурсов метана - 213 млн м3/км2, максимальная - 403 млн м3/км2 [1].
Метанообильность действующих шахт групп НП приведена в табл. 1.
Шахты Воркутского месторождения выделены в группу А.
На территории Печорского угольного бассейна сосредоточены значительные запасы угля и метана. Промышленные запасы углей составляют около 360 млрд т Ресурсы коксующихся углей оцениваются в 41 млрд т. Разведанные балансовые запасы углей составляют 13,7 млрд т [2]. Лучшие рабочие пласты расположены в Рудницкой подсвите Воркутской серии и являются основной промышленно-угленосной ее частью. Мощность Рудницкой подсвиты уменьшается с юго-востока на северо-запад и составляет на южном замыкании Воркутского месторождения 450 м, а на северо-западе месторождения - 230 м. В разрезе подсвиты имеется от 20 до 40 пластов и пропластков угля, из них 8 достигают рабочей мощности.
Угленосные отложения Печорского бассейна характеризуются высоким содержанием газов (преимущественно метана). Более половины всего объема метана сконцентрировано в угольных пластах, составляющих по мощности около 5% угленосной толщи. В местах геологических нарушений отмечено снижение метаноносности пластов угля с 25-30 до 12-17 м3/т. Метанонос-ность угольных пластов достигает на Воркутском месторождении 35 м3/т, Воргашорском - 25 м3/т, Усинском - 35 м3/т, Сейдинском -14 м3/т. Основной объем углеводородных газов связан с за-
пасами сорбированного метана, доля которого составляет 90-95%. Состав природных газов: метан - 96-98 %, диоксид углерода - 0,1-0,2 %, водород - 0,08-0,1 %, азот - 1,5-2 %.
Ресурсы метана на Воркутском месторождении по оценке геологов составляют 1,9-2,6 трлн м3 [3]. Высокая газоносность угольных пластов обусловливает высокую метанообильность шахт.
В настоящее время в Печорском бассейне действуют 13 шахт из 30 ранее работавших. В состав ОАО «Воркутауголь» входят 7 наиболее газообильных в России шахт (в советское время их было 12). Газообильной является и самостоятельная шахта «Воргашорская».
Метанообильность действующих шахт ОАО «Воркутауголь» приведена в табл. 2. В 7 шахтах выделяется 713 м3/мин метана или 374 млн м3 метана в год. Дегазационными системами ежегодно извлекается 160-165 млн м3 метана.
Таблица 1
МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ НА ШАХТАХ ЮЖНОГО КУЗБАССА
Шахты Средняя абсолютная га-зообильность шахт с учетом каптированного метана, м3/мин Среднегодовой расход метана, отсасываемого дегазационной установкой, м3/мин Среднесуточная добыча угля в течение года, т/сут Относительная газообильность шахт, м3/т
по метану по углекислоте по метану по углекислоте
Гр уппа шахт I
Абашевская в том числе: Абашевский район Кушеяковский район 153,0 124,8 28,2 - 2,5 3268 3216 55,0 12,6 -
Зыряновская 49,2 - 31,5 2170 32,8 -
Юбилейная 61,9 - 37,5 4657 40,2 -
Итого: 264,1 71,5 13311
Г руппа шахт II
Томская 47,8 19,6 2,4 2096 31,2 13,4
Им. В.И.Ленина 45,0 - 13,0 2748 26,5 -
Усинская 28,8 8,5 3,2 1427 28,6 8,5
Распадская 120,8 - 0,4 15100 31,0 -
Итого: 242,4 28,1 19,0 21371
Г руппа шахт III
Осинниковская 93,4 54,6 4,0 3437 38,2 22,1
Тайжина (Высокая) 13,0 14,0 - 207 39,9 42,9
Алардинская 32,5 11,9 2,0 4544 27,5 13,7
Итого: 138,9 80,5 6,0 8188
Всего: 645,4 108,6 96,5 42870
Таблица 2
МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ НА ШАХТАХ ОАО «ВОРКУТАУГОЛЬ»
Наименование шахт Средняя абсолютная газообильность шахты с учетом каптируемого метана, м3/мин Средний годовой расход метана, отсасываемого дегазационными установками, м3/мин Среднесуточная добыча угля в течение года, т/сут Относительная газо-обильность шахты по метану, м3/т
Северная 118,4 76,6 5573 58,2
Воркутинская 179,4 110,3 4020 106,8
Аяч-Яга 73,1 20,8 2191 63,4
Комсомольская 136,6 54,6 3938 58,5
Октябрьская 43,8 - 5303 11,8
Заполярная 137,9 46,3 3724 53,3
Юр-Шор 23,8 - 1213 30,5
Итого: 713,0 308,6 25962
Многолетний опыт извлечения и использования шахтного метана, накопленный за рубежом [3], был использован на шахтах б. СССР (Украина, РСФСР, Казахстан), где средствами дегазации извлекалось 2600 м3/мин метана, что составляло 25 % метановыделения в шахтах, применявших дегазацию, и 20 % - общего метановыделения в шахтах СССР. Однако объемы утилизации каптированного метана были низкими и по угольным бассейнам СССР не превышали 10-25 %, в то время как в зарубежных странах они составляли 40-80 %.
В Российской Федерации опыт промышленной утилизации шахтного метана накоплен в Воркуте, где каптируемые дегазационными системами метановоздушные смеси стали использовать с 1975 г. путем их сжигания сначала в топках котельных шахт, а затем и в сушильных отделениях обогатительной фабрики. Объемы утилизируемого метана с 4,6 млн м3 в 1975 г. увеличились до 44,6 млн м3 в 1989 г. Последующее снижение угледобычи в Воркуте привело к существенному уменьшению объемов каптируемого метана. Так, добыча угля в 1989 г. составила 18 млн т, объемы каптированного метана 292 млн м3, а в 1998 г. - только 12,5 млн т угля, 162 млн. м3 метана, извлеченного средствами дегазации, и 31,8 млн м3 метана использовано.
В 1975 г. в Воркуте на шахтный метан было переведено 4 котла ДКВР-6 и 5 котлов ДКВР-13. В последние годы каптируемый метан сжигался в 14 паровых котлах. Суммарная мощность котлов составила 150 т пара в час. Кроме того, с 1982 г. на промплощадке шахты «Северная» стала функционировать потребляющая метан сушильная установка на обогатительной фабрике с годовой производительностью 900 тыс. т высушенного угля.
Каптируемый в шахтах РФ метан в промыш-
ленных масштабах используется только на 4 шахтах Воркуты. Наиболее высокие показатели извлечения и использования метана были достигнуты в 1992 г. на шахте «Северная»: коэффициент извлечения составил 0,56, а использования
- 0,33. Экономия угля за счет утилизации шахтного метана в Воркуте составила в 1975 г., 1989 г. и 1998 г. соответственно 7,65, 48,0 и 23,0 тыс. т. Объемы утилизированного метана составляют только 18,0 % от извлеченного средствами дегазации.
В Кузнецком бассейне каптируемый в шахтах метан в промышленных масштабах пока не используется. Однако по фактору метановыделения имеются условия для перевода котельных с угля на шахтный метан. Так, например, на шахтах II группы дебит каптируемого метана может составить от 33 до 65 м3/мин (табл. 3).
В 1999-2000 гг. на шахтах «Чертинская» (ОАО УК «Беловоуголь») и «Северная» (ОАО «Воркутауголь») проведены опытные испытания силового генератора фирмы «Катерпиллар» (США), функционирующего на шахтном метане. Результаты испытаний генератора свидетельствуют об эффективности выработки электроэнергии и тепла на вторичном энергоресурсе, каковым является каптируемый метан: потребление 6 м3/мин метана является достаточным для функционирования газомоторной установки мощностью 1000 кВт и выработки 1 Гкал/ч тепла.
На шахтах России, работающих с дегазацией, могут быть широко использованы не только электрогенераторы фирмы «Катерпиллар», но и отечественные газомоторные и газодизельные установки, разработанные ИГД им. А.А. Скочин-ского, изготовление которых планируется на Коломенском заводе и на заводе «Русский дизель». Мощность таких газовых миниэлектростанций
Таблица 3
ОЖИДАЕМЫЕ (ПРОГНОЗНЫЕ) ОБЪЕМЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПЛАСТОВ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ШАХТ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ КУЗБАССА
составляет 400, 1000 и 2500 кВт [4]. Имеющиеся на российских шахтах дегазационные системы способны обеспечить кондиционным метаном от 2-3 до 10-15 энергетических установок мощностью 1000 кВт на одной шахте.
Информация о перспективных шахтах и способах использования каптируемого метана приведены в работе [5].
Кондиционность метана в каптируемой газовоздушной смеси предопределяется технологией ведения дегазационных работ, основными составляющими которой являются способы (схемы) дегазации и качество герметизации дегазационных скважин. Обязательным условием для использования каптируемых в шахтах газовоздушных смесей методом прямого сжигания является содержание метана не ниже 50-55 % (по объему) на выходе из дегазируемого участка и не ниже 35-40 % - на выходе из вакуум-насосной станции (ВНС).
Более цивилизованная и экономически выгодная утилизация шахтного метана, например с целью выработки электрической энергии или заправки баллонов сжатым газом для автомашин, потребует повышения концентрации метана в газовоздушной смеси, подаваемой потребителю. Очистка каптируемого в шахтах газа [6] от азота, кислорода, влаги и диоксида углерода с помощью установки ВССК (США) позволит увеличить процент использования каптируемого в шахтах метана.
Для извлечения кондиционного метана на шахтах Кузбасса необходимо выполнить комплекс научных и практических мероприятий.
ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского уже начал широкомасштабные исследования газодинамических характеристик угольных пластов на шахтах «Чертинская» (ОАО «Кузбассуголь»), «Абашевская», «Томская», «Алардинская» и «Есаульская» (ОАО УК «Кузнецкуголь»). Задачами этих исследований являются : 1) определе-
ние и прогноз метаноносности угольных пластов, газообильности шахт, добычных участков и подготовительных выработок, показателей газоотда-чи угольных пластов в дегазационные скважины; 2) обоснование и выбор способов и параметров извлечения кондиционного метана и обеспечение безопасного по газу ведения горных работ; 3) разработка способов и средств интенсификации процессов выделения метана в скважины, пробуренные по неразгруженным разрабатываемым пластам, которые при мощности от 3,5 до 10 м в большинстве шахт являются основными источниками метановыделения.
Комплекс мероприятий по извлечению, очистке, обогащению и использованию каптируемого метана в России будет выполняться более эффективно, если установятся деловые контакты между Угольными компаниями (шахтами), ННЦ ГП -ИГД им. А.А. Скочинского, бассейновыми институтами и американскими Агентством по охране окружающей среды (ЕРА), компанией ВССК, обеспечивающей очистку и обогащение каптируемой метановоздушной смеси, и другими зарубежными фирмами, производящими буровое оборудование и установки для использования шахтного метана.
Первоочередными объектами комплексного исследования вопросов извлечения и использования угольного метана могут стать группы выделенных шахт (группа А - Воркутское месторождение, группы шахт I, II и III - Кузнецкий бассейн). При этом схемы и параметры подземной дегазации источников метановыделения, в том числе и с помощью направленных скважин, устанавливаются ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочин-ского [1,7-10], техника для бурения направленных скважин поставляется зарубежными фирмами (США, Австралия, Германия), а оборудование для утилизации каптированного метана может быть использовано как российского, так и зарубежного производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
России в снижении выбросов метана в атмосферу Земли. Доклады II Международной конференции «Сокращение эмиссии метана». Новосибирск, 2000, с. 582585.
5. Рубан А.Д. Технологии извлечения и использования метана
1. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне. Академия горных наук, 1997, 464 с.
2. Горная энциклопедия. «Советская Энциклопедия», М., 1989, т.4, с. 93.
3. Газообильность каменноугольных шахт СССР. Комплексное освоение газоносных угольных месторождений. «Наука», М., 1990, 216 с.
4. Серов В.И., Виноградов В.П., Гостева С.Н. Возможности угольной промышленности
угольных шахт: опыт и перспективы. Доклады II Международной конференции «Сокращение эмиссии метана». Новосибирск, 2000, с. 563-567.
6. The Nitech™ nitrogen removal system ... converting technology into results. BCCK Engineering, Inc.
7. Сергеев И.В., Забурдяев В.С. Факторы, определяющие интенсивность газовыделения в дега-
зационные скважины.
Сб.«Рудничная аэрология и безопасность труда в шахтах». Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского, 1972, №94, с.77-85.
8. Забурдяев В.С. К расчету эффективности дегазации при новых технологических схемах очистной выемки угля. Сб. «Технология очистных и подготовительных работ». Научные сообщения, ИГД
им. А.А. Скочинского, 1973, № 105, с. 80-89.
9. Сергеев И.В., Забурдяев В.С. и др. Управление газовыде-лением в угольных шахтах при ведении очистных работ. «Недра», 1992, 256с.
10. Забурдяев В.С. Новые методы дегазации и управления га-зовыделением в угольных шахтах. ЦНИЭИуголь, М., 1990, вып.2, 65с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.
