Потенциал шахтного метана: объемы извлечения и условия утилизации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------ © А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев,

2009

УДК 622.333:622.8

А.Д. Рубан, В. С. Забурдяев

ПОТЕНЦИАЛ ШАХТНОГО МЕТАНА: ОБЪЕМЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И УСЛОВИЯ УТИЛИЗАЦИИ

Российские угольные месторождения являются самыми метаноносными в мире: на тонну угля приходится 8,3 кг метана. Угольный метан целесообразно извлекать в процессе подземной разработки пластов угля, обеспечивая безопасность и высокую производительность горных работ по газовому фактору, извлечение и утилизацию метана. На все это оказывают влияние организационные, технические и технологические факторы, законодательные и нормативные акты.

Ключевые слова: угольные шахты, шахтный метан, выбросы шахтного метана, высокометанообильные шахты.

угольных шахтах содержатся огромные запасы метана, который является важным источником энергии в случае его извлечения и утилизации, в то же время он усугубляет ситуацию с глобальным потеплением при попадании в атмосферу Земли. На сегодня большая часть шахтного метана не утилизируется. Выбросы шахтного метана в мировом масштабе по различным оценкам составляют 70-85 млн. т в год [1]. На угольную промышленность приходится 8% суммарных антропогенных выбросов метана в мире, большая часть которых принадлежит Китаю, США, Индии, Австралии, России, Украине и Северной Корее (ІЕА, 2008). Около 70% выбросов шахтного метана приходится на Китай, США, Россию и Украину. Таким образом, решение проблемы извлечения и утилизации шахтного метана в России является важной и неотложной задачей.

Подземные горные работы являются основным источником выбросов шахтного метана в атмосферу. В России подземная разработка месторождений составляет около 40% в добыче угля, и ей необходимо уделять особое внимание. По всему миру подземные угольные шахты выделяют около 29-41 млрд. м3 метана ежегодно, из которых менее чем 2,3 млрд. м3 используется в качестве топлива.

При подземных горных работах метан, выделяясь в выработки шахт, либо выносится вентиляционными потоками воздуха в атмо-

сферу, либо, извлекаясь средствами дегазации, используется в качестве источника энергии. Сокращения выбросов в атмосферу можно добиться, если газ утилизировать. Метан, который не извлекается при помощи дегазации, попадает в вентиляционный воздух. Этот метан сложнее всего поддается извлечению и утилизации, поскольку объем вентиляционного воздуха большой, а содержащийся в нем метан разрежен (0,3-0,5% по объему), его концентрация и объем постоянно меняются. Однако некоторые страны мира имеют опыт утилизации этих низкокачественных метановоздушных смесей [2]. Чаще он используется как добавка к воздуху в камере сгорания или для реакций окисления.

Шахтный метан более высокого качества используется для производства электроэнергии, когенерации, в промышленности и для обеспечения центрального отопления. Если извлеченный метан чрезвычайно высокого качества и сравним с природным газом, его направляют в газопроводы или используют на месте вместо природного газа, а также в качестве топлива для автотранспорта.

Российские угольные месторождения являются самыми метаноносными в мире: на тонну угля приходится 8,3 кг метана по сравнению 7,4 кг/т в Великобритании, 6,7 кг/т в Китае, 5 кг/т в США и 3,6 кг/т в Германии [3]. Около 80% действующих в России газовых шахт характеризуются высокими выделениями метана, что создает в ряде случаев взрывоопасные ситуации в горных выработках.

Доля выбросов метана, приходящихся на шахты Кузбасса, составляет 70% от общего количества выбросов СН4 в российской угледобывающей промышленности. С увеличением объемов добычи угля растут и объемы выбросов метана. Извлеченный и утилизированный метан вычитается из общего объема выбросов шахтного метана в земную атмосферу.

В последние несколько лет добыча угля в России растет. Для того чтобы обеспечить растущий внутренний рынок рентабельным углем, российские угольные шахты должны производить не менее 2-3 млн. тонн угля в год, что затруднительно в высокометанообильных шахтах. В этой связи решение проблемы шахтного метана является важной предпосылкой для увеличения продуктивности угольных шахт в России.

В Энергетической стратегии России до 2030 г. прогнозируется рост добычи угля с 253 млн. т в 2002 г. до 310-330 млн. т в 2010 г. и

375-430 млн. т в 2020 г. Среди прочего стратегия призывает к технологическим улучшениям и внедрению усовершенствованных технологий дегазации угольных пластов.

Стимулы для извлечения и использования шахтного метана включают:

• уменьшение количества впустую выброшенного топлива путем его использования в качестве местного источника энергии;

• повышение промышленной безопасности и продуктивности угольных шахт;

• сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу Земли;

• экономический рост от энергосбережения и торговли квотами в соответствии с положениями Киотского протокола.

Два ключевых стимула, обусловливающих извлечение и утилизацию шахтного метана в России, - это безопасность горных работ и необходимость повысить продуктивность шахт по добыче угля. Проблема безопасности горных работ является одной из наиболее острых в угледобывающей промышленности России, а ограничения, налагаемые на угольные шахты из-за высоких уровней содержания метана в рудничной атмосфере шахт, приводят к снижению эффективности угледобывающих технологий в 3-4 раза и усложняют процесс добычи угля. При других равных параметрах продуктивность шахт, на которых относительная метанообиль-ность достигает 7-10 м3 на тонну добытого угля, в 2-3 раза выше, чем на шахтах, где она (метанообильность) составляет 20-60 м3 на тонну угля. Причиной этого является ограничение горных работ, связанное с высокой концентрацией метана в атмосфере выемочных участков.

Однако, из-за различных организационных, экономических, технических и нормативно-правовых барьеров утилизация шахтного метана в России незначительна. Для того чтобы упростить деятельность угольных компаний по извлечению и утилизации шахтного метана должны быть созданы благоприятные экономические условия, стимулирующие выполнение мероприятий по утилизации шахтного метана. Одним из стимулов является налоговые освобождения, когда из налогооблагаемой базы будет исключен этот вид деятельности. Налоговые кредиты, еще один стимул, состоят в снижении общих налоговых обязательств по проекту, таким обра-

зом повышая его рентабельность. Третьим видом стимулов являются налоговые скидки, например, снижение налогооблагаемой базы. Еще одним инструментом поощрения этого необходимого мероприятия является помощь в доступе к капиталу. Этот тип помощи обеспечивается посредством грантов, ссуд, кредитных гарантий и венчурного капитала. Угольные шахты или совместные предприятия могут использовать эти виды помощи, чтобы финансировать проекты по утилизации шахтного метана.

Важным способом стимулирования утилизации шахтного метана в России стала бы либерализация цен на энергоносители. В то время как цены на природный газ искусственно удерживаются на низком уровне, проекты по шахтному метану не могут конкурировать с дешевыми энергоресурсами. В таких случаях необходимо внедрять специальные виды стимулов для поощрения извлечения и утилизации шахтного метана. Например, можно принять законодательство, обязывающее местные газораспределительные компании покупать извлеченный шахтный метан, если он качественный и продается по конкурентной цене.

Международные механизмы, связанные с мировыми усилиями по снижению выбросов парниковых газов, могут стать дополнительным стимулом для извлечения и утилизации шахтного метана. Эти механизмы могли бы заключаться во включении шахтного метана в схемы торговли выбросами парниковых газов, проекты Совместного осуществления и, возможно, секторальные подходы, которые сегодня обсуждаются в контексте Рамочной конвенции ООН по изменению климата.

По оценкам, коэффициент использования шахтного метана в мировом масштабе может достичь 25%, если будет принята международная программа стимулирования его утилизации. Это позволило бы сократить предполагаемые выбросы шахтного метана в атмосферу на 7-10 млрд. м3 ежегодно, что дало бы возможность, в свою очередь, существенно снизить выбросы парниковых газов и сократить потери ценного энергетического ресурса.

Лучшие показатели дегазации и утилизации метана существуют на шахтах в Воркуте. Дегазация тут производится путем бурения подземных скважин преимущественно на подрабатываемые пласты с последующим извлечением и утилизацией метана. Утилизация позволяет сократить выбросы метана на 20-30%. В Воркуте добытый дегазацией метан имеет концентрацию не менее 35-40%.

Ежегодно используется 40-45 млн. м3 метана, который используется преимущественно в местных котельных.

Принимая во внимание опыт отечественных шахт в извлечении и использовании шахтного метана, можно рассматривать дегазацию как необходимое мероприятие в шахтах с содержанием метана в угольных пластах 13 м3/т с.б.м. Этот критерий должен рассматриваться как самый низкий уровень, при котором извлечение и использование метана является целесообразным.

Однако, до сих пор наблюдается низкая эффективность ведения дегазационных работ по извлечению кондиционных по метану газовоздушных смесей на шахтах Кузбасса (таблица).

Существует несколько показателей, которые учитываются в процессе принятия решений об инвестициях в извлечение и утилизацию шахтного метана. Техническими из них являются:

• объемы каптируемого метана и средняя его концентрация в извлекаемой смеси;

• физические параметры вентиляционных потоков воздуха (содержание пыли, влажность), которые определяют последующие шаги по подготовке газа (осушка, очистка) для использования;

• уровень продуктивности энергетического оборудования, в котором используется добытый метан;

• глубина и направленность буровых скважин для откачки метана и глубина обсадки их устьев;

• повышение продуктивности шахт, которую можно достичь благодаря применению дегазации;

• экономические показатели, такие как стоимость оборудования для извлечения метана, стоимость транспортных средств, труда и строительные издержки, цены на энергоносители и электроэнергию.

Эффективность систем дегазации на российских шахтах_____________

Число вакуумно-насосных станций с концентрацией мета___________________на в добытом газе__________________

Угольные бассейн, регион до 20% от 20% до 40% от 40% до 50% свыше 50% Ниже, чем требуется по нормативному документу

Печорский - - 1 10 0

Южный Кузбасс 10 5 1 - 10

Прокопьевско- 2 - - - 2

Киселевский

Северный и Цент- 5 1 2 7 3

Технологии, тенденции и направленность исследований на извлечение метана из угольных пластов разделяются на самостоятельную добычу метана из нетронутого массива, извлечение метана для обеспечения безопасности ведения горных работ, его утилизации и защиты окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу Земли. При этом во многом варианты технологических схем извлечения метана из угольных пластов зависят от типа применяемого бурового оборудования и технологий бурения длинных направленной трассы дегазационных скважин.

Для бурения вертикальных скважин применяется как обычное буровое оборудование, так и современное оборудование для бурения направленных скважин с поверхности. Оборудование направленного бурения представляет наибольший интерес для развития технологий извлечения метана из угольных пластов, т.к. позволяет бурить несколько скважин из одного места размещения бурового станка, что имеет существенное значение для обеспечения дегазации угольных пластов или выработанного пространства скважинами с поверхности при сложном рельефе местности. Данный метод предполагает бурение управляемой скважины, которая пересекает намеченный участок пластов и продолжается далее в границах пласта или намеченной зоны напластования до достижения требуемой глубины. Главное преимущество данного метода дегазации заключается в исключении подземных буровых работ. Бурение с поверхности оказывает минимальное воздействие на осложнение процесса угледобычи, упрощает транспортировку оборудования, его установку и использование. Кроме того, для этого типа оборудования не требуется сертификация службами Ростехнадзора. Для определения траектории скважины применяются компьютерные программы и съемка ее направления и азимута. На основе этой информации производится корректировка местоположения скважины в пространстве.

Для бурения скважин из горных выработок применяются обычные вращательного типа буровые станки, которые позволяют проходить скважины, протяженностью до 150-300 м. Достоинством этой техники является хорошая маневренность и ее невысокая цена. Однако небольшая протяженность скважин несколько ограничивает развитие технологических схем дегазации угольных пластов

с применением подобных буровых станков. В этой связи весьма перспективным является применение станков направленного бурения для реализации новых подземных схем дегазации.

Идентификация пород углевмещающих толщ проводится по образцам буровой мелочи и изменениям параметров бурения (в неугольных формациях возрастает усилие на буровую коронку). Пространственное положение скважины может быть определено на основе данных, полученных с помощью измерительного устройства. Предварительная дегазация осуществляется скважинами с поверхности или внутрипластовыми скважинами, создающими градиент давления в газосодержащем источнике и стимулирующими выход из него метана в виде фильтрационного потока из угольного массива в начале процесса и ламинарного движения через систему естественных (природных) трещин в последующем.

Дегазация разгружаемых от горного давления сближенных пластов и выработанного пространства наиболее распространена в действующих шахтах и осуществляется в процессе ведения очистных работ. Выше- и нижележащие газоносные пласты угля и пород разгружаются от горного давления и становятся высоко проницаемыми. Градиенты давления, обусловленные нарушением статических условий вследствие ведения горных работ, способствуют истечению метана из нарушенной зоны и перемещению газового потока через трещины в дегазационные скважины и частично в горные выработки. Дегазационные установки для извлечения такого газа включаются в работу к началу разгрузки угольных пластов. Метан отсасывают через вертикальные скважины, которые бурятся с поверхности, либо через подземные скважины [4].

В России пока не существуют целенаправленные программы финансовой помощи для компаний, которые хотели бы извлекать и утилизировать метан. Выбросы шахтного метана контролируются законами об охране окружающей среды и стандартами по безопасности горных работ. Не существует специального законодательства, которое поощряло бы утилизацию шахтного метана с целью сократить выбросы парниковых газов или повысить эффективность использования природных ресурсов. Предприятия-природопользователи ежегодно отчитываются по форме статистической отчетности 4-ОС «Сведения о текущих затратах на охрану окружающей среды и экологических платежах». Плата за негативное воздействие на окружающую природную среду представляет

собой компенсацию за экономический ущерб, наносимый загрязнением, и, в частности, выбросами метана. Система начисления платежей за негативное воздействие на окружающую природную среду предопределена законом «Об охране окружающей природной среды», введенным в действие в 2002 г. Расходы по платежам за допустимые выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и размещение отходов относятся на себестоимость продукции, а источником финансирования платежей за сверхнормативное загрязнение является чистая прибыль (прибыль после уплаты налогов и других обязательных платежей в бюджет).

Наблюдается тенденция роста платежей за сбросы (выбросы) загрязняющих веществ в результате более требовательного подхода контролирующих органов к вопросам своевременного внесения предприятиями платежей. Согласно Постановлению Правительства РФ № 410 от 01.07.2005, платежи за выбросы метана (включая выбросы в процессе добычи нефти (попутный газ) и сжигание газа в факеле) увеличились с 0,05 до 50 рублей за тонну выбросов в пределах максимальной допустимой концентрации и с 0,25 до 250 рублей - за тонну выбросов в рамках предельно допустимых выбросов. Доля платежей угольными шахтами за выбросы в атмосферный воздух повысилась с 17 до 43,8%, что обусловлено во многом наиболее полным учетом выбросов метана и повышением ставки платы за его выбросы. Общая сумма платежей за загрязнение окружающей среды в угольной отрасли оценивается на уровне 1 млрд рублей.

По угольным бассейнам и месторождениям России ситуация с платежами за выбросы в атмосферный воздух оценивается следующим образом:

• в Кузнецком бассейне - около 350 млн. рублей;

• в Восточной Сибири - 25 млн. рублей;

• на Дальнем Востоке - 10 млн. рублей;

• в Печорском угольном бассейне - 35 млн. рублей;

• в Якутском угольном бассейне - около 1 млн. рублей;

• в Донецком бассейне - около 0,5 млн. рублей.

Однако размер компенсации за экономический ущерб, наносимый негативным воздействием на окружающую среду предприятиями угольной отрасли, остается сравнительно небольшим, в том числе по парниковым газам, что не стимулирует внедрение обору-

дования для предотвращения выбросов, включая предотвращение выбросов метана в атмосферу.

Два Федеральных закона включают положения, касающиеся шахтного метана: Федеральный закон 81-Ф3, который регулирует деятельность угольной промышленности, и Закон «О стандартизации». Закон 81-Ф1 определяет основу для государственной политики относительно горных работ и использования угля, а также регулирует отношения, возникшие в ходе этой деятельности. Этот закон включает положения о контроле безопасности во время горных работ.

Г аз из угольных пластов не принадлежит к определенной категории ресурсов и ситуация с лицензиями гораздо неопределеннее, чем для других более традиционных источников энергии. В случае, если шахтный метан извлекается из угольных пластов, находящихся вне горных отводов шахт, процесс выдачи лицензий определен гораздо лучше. Однако возможно, что лицензии на извлечение метана угольных пластов могут конфликтовать с лицензиями на добычу угля, поскольку лицензия на добычу угля дает шахтам право извлекать и выбрасывать метан. С другой стороны, Администрация Кемеровской области уже некоторое время выдает лицензии на извлечение и использование угольного метана, и до сих пор конфликтов с держателями лицензий на добычу угля не возникало. В действующих шахтах лицензия на добычу и использование угля позволяет шахтам извлекать и использовать метан для собственных нужд. Однако неясно, какие положения о выдаче лицензий необходимо будет ввести, если шахты решат продавать метан другим потребителям. Ситуация с выдачей лицензий на метан из закрытых шахт еще более запутана.

Регионы могут устанавливать свои законы и нормативные документы. Например, администрация Кемеровской области разработала несколько законов, поощряющих утилизацию шахтного метана. Она предоставляет налоговые кредиты на оборудование, предназначенное для извлечения шахтного метана, и на инвестиции в основной капитал в области. Предложен еще один региональный закон о снижении подоходного налога корпораций с 24% до 20% и ликвидации налогов на собственность для угольных компаний, которые извлекают и утилизируют метан.

Проблему шахтного метана в той или иной степени решают:

• Министерство энергетики;

• Министерство экономического сотрудничества (проекты Совместного осуществления);

• Министерство природных ресурсов (нормативно-правовая база по охране окружающей среды) также отвечает за выдачу лицензий на собственность минеральными ресурсами;

• Ростехнадзор отвечает за нормативы техники безопасности горных работ, в том числе нормативы извлечения и использования метана.

Однако в компетенцию ни одного из этих органов не входит прямая ответственность за решение проблемы использования шахтного метана. В угольных регионах РФ существуют свои учреждения, которые занимаются угольной промышленностью и шахтами, расположенными в них.

Можно выделить несколько типов препятствий, которые затрудняют широкомасштабное извлечение и использование шахтного метана в России:

• экономические и финансовые (разработчики проектов не в состоянии обеспечить начальное финансирование, необходимое для покрытия больших капиталовложений, требующихся для таких проектов);

• институциональные (практически в России нет предприятий, специализирующихся на предоставлении услуг по извлечению и утилизации шахтного метана, которые могли бы привлекаться для выполнения подобных работ);

• нормативно-правовые (РАО ЕЭС разработало рекомендации по подключению экологически чистой энергии к электроэнергетической системе. При этом очень жесткие требования к энергетической метановой системе фактически делают невозможным использование метана в электроэнергетической системе страны или регионов);

• технические, эксплуатационные и информационные (сложно обеспечить устойчивые поставки и качество метана, и поэтому сложно обосновать и осуществлять его утилизацию).

Колебания в поставках метана по причине сезонного или рыночного спроса, являются широко распространенным препятствием для осуществления или расширения проектов по утилизации шахтного метана. Многие шахты, использующие метан для обогрева помещений, испытывают дефицит газа в зимние месяцы, когда

спрос высокий, и в то же время стравливают метан в больших количествах в атмосферу в летние месяцы, когда спрос низкий. Развитие и расширение системы газохранилищ может решить эту проблему. Во многих газодобывающих регионах мира подземные хранилища являются самым широко распространенным способом хранения газа, чтобы удовлетворить сезонные пиковые требования рынка. Чаще всего для этого используются поровые коллекторы, включая истощенные месторождения.

Если добытый метан предполагается продавать как природный газ, он должен отвечать определенным нормативам природного газа. Поскольку нормативов для шахтного метана не существует, применяются нормативы для природного газа (94% СН4). Обеспечить выполнение этих нормативов для шахтного метана в России практически невозможно. В результате метан должен пройти значительную и дорогостоящую обработку. В такой ситуации в России можно торговать шахтным метаном только среднего и низкого качества.

Препятствием для торговли шахтным метаном является также недостаточная инфраструктура для транспортировки метана по газопроводам. Многим регионам, добывающим уголь, не хватает газопроводов и газосборных систем для сбора и транспортировки шахтного газа, а также специальных контролирующих приборов, которые бы постоянно измеряли объем и концентрацию метана. В таких случаях экономически целесообразно использовать шахтный метан на месте, где компримирование и транспортировка на большие расстояния не требуются.

К сожалению, многие угледобывающие компании не имеют полной информации касательно реализации проектов по добыче и утилизации шахтного метана, угольные компании не имеют ресурсов, чтобы исследовать потенциал развития прибыльного проекта на их собственной шахте. Ключевой стратегией по преодолению недостатка информации является развитие информационнопропагандистских программ, которые распространяли бы информацию и служили связующим звеном между заинтересованными сторонами, обеспечивали техническое обучение, а в некоторых случаях и осуществляли предварительные технико-экономические исследования для определенных проектов. Информационнопропагандистские программы могут работать успешно, если ком-

паниям показать, что они могут получать прибыль и в то же время сократить объемы выбросов, повысить безопасность горных работ.

К другим препятствиям, тормозящим извлечение и использование шахтного метана, относятся:

• вопросы права собственности на добытый газ/квот на выбросы углерода;

• изобилие энергоресурсов и низкая энергоэффективность шахтного газа;

• отсутствие координации между различными организациями и учреждениями;

• недостаток информации и обучения персонала существующим технологиям и практике управления;

• традиционная практика производства работ в угольной промышленности;

• ограниченные рынки метана и инфраструктура;

• неопределенный инвестиционный климат.

Однако, приведенные выше организационные, технические и правовые препятствия преодолимы, а повышение технических и экономических показателей метанообильных шахт России весьма актуально.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шеле Элизабет. Возможность инвентаризации метана: Эмиссия и прогноз в США и в мире //Сокращение эмиссии метана. Доклады II Международной конференции. - Новосибирск, 2000. - С. 42-47.

2. Сапунджиев Христо. Шахтная исходящая струя: потенциальный источник экологически чистой энергии // Сокращение эмиссии метана. Доклады II Международной конференции. - Новосибирск, 2000. - С. 575-581.

3. Гейл Джон и Фроинд Поль. Снижение метановой эмиссии для предотвращения глобального изменения климата. Роль России // Сокращение эмиссии метана. Доклады II Международной конференции. - Новосибирск, 2000. - С. 70 -78.

4. Метан в шахтах и рудниках России: : прогноз, извлечение и использова-

ние / А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев и Н.Г. Матвиенко. -М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с. ЕШ ' '

Ruban A.D., Zaburdjaev V.S.

POTENTIAL OF MINE METHANE: VOLUMES OF EXTRACTION AND UTILIZATION CONDITIONS

The methane-bearing capacity of the Russian coal deposits is the world-highest: the methane acreage per coal ton is 8,3 kg. It is rational to extract the coal methane

within the framework of coal seam underground mining while providing for the gas factor-related security and high productivity of the mining works as well as for methane extraction and utilization. This process is being highly influenced by institutional, technical and technological factors as well as by existing law.

Key words: coal mines, methane, mine methane, emissions of mine methane, high methane rich mines.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------

Рубан А.Д. - заместитель директора УРАН ИПКОН РАН;

E-mail :ruban_ad@mail.ru

Забурдяев В.С. - ведущий научный сотрудник УРАН ИПКОН РАН; доктор технических наук, с.н.с.; Е-таі1:тК>@іркопгап.ш