CC BY
56
|— Коротко об авторах--------------------------------------
Бобнев Ю.Н. - кандидат технических наук, УД АО «Миттал Стил Темиртау».
-------Ф
^-------
-------------------------- © Н.О. Каледина, В.А. Малашкина,
2006
УДК 622.817
Н.О. Каледина, В.А. Малашкина
ПРОМЫШЛЕННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕТАНА НА ДЕЙСТВУЮЩИХ УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМОЙ «ВЕНТИЛЯЦИЯ-ДЕГАЗАЦИЯ»
Разработанная в МГГУ концепция промышленного извлечения метана из угольных пластов отдает приоритет попутной добыче метана на полях действующих шахт, т.к. только при этом условии затраты на добычу метана как энергетического ресурса окупаются повышением производительности и безопасности угледобычи и могут быть сопоставимы с затратами на добычу природного газа (из газовых месторождений). На действующих шахтах предлагается поста-дийная добыча метана по мере освоения месторождения,
что связано с изменением фильтрационно-коллекторских свойств массива в процессе его подработки. При этом выделяется 4 стадии: заблаговременная добыча на перспективных участках (период проектирования), предварительная (период строительства), эксплуатационная и последующая (на отработанных участках и ликвидированных шахтах). Максимальные объемы метана могут быть добыты на третьей и четвертой стадиях, а с точки зрения обеспечения метанобе-зопасности подземной угледобычи наиболее важной является стадия эксплуатации.
Основными источниками выделения метана в процессе эксплуатации шахты являются: разрабатываемые угольные пласты, подрабатываемые и надрабатываемые пласты-спутники, вмещающие породы.
В период эксплуатации шахты происходит разгрузка горного массива горными работами на значительных площадях. При этом происходит изменение фильтрационных свойств массива как в подработанной (вышележащей относительно вынимаемого пласта), так и в надработанной (нижележащей) частях: образуются выработанные пространства, вследствие оседания вышележащих пород повышается трещиноватость, пористость и проницаемость всего массива в зоне влияния очистной выемки. Одновременно с разгрузкой массива активизируется процесс десорбции метана, значительные объемы которого переходят в свободное состояние и аккумулируются в образовавшихся пустотах и трещинах. Часть образовавшегося свободного метана выносится утечками воздуха (незначительная часть - в результате диффузии) в действующие горные выработки.
Поскольку угольные пласты, как правило, залегают свитами и разрабатываются поочередно - с определенным опережением, то в процессе отработки месторождения постоянно имеет место повторная подработка массива, также приводящая к активизации процесса десорбции метана из всех перечисленных выше источников.
Процессы сдвижений горного массива, вызванные выемкой полезного ископаемого, приводят к образованию мульды сдвижений, в которой постепенно формируется так называемое «дно мульды», соответствующее зоне полных сдвижений
(т.е. такому полоожению, когда максимальные смещения пород достигают земной поверхности). Эта область соответствует зоне максимальных растягивающих напряжений деформации в нарушенном горными работами участке земной коры и имеет максимальную пористость и газопроницаемость.
Максимальное метановыделение из разрабатываемых пластов происходит в очистных и подготовительных забоях -местах непосредственного разрушения рабочего пласта. Интенсивность поступления метана максимальна в момент обнажения поверхности пласта и постепенно затухает с течение времени. Период затухания зависит от фильтрационно-коллек-торских свойств пласта. Для удобства оценки общей газообильности рабочего пласта в процессе отработки выемочного участка газовыделение из пласта подразделяют на две составляющие: из обнаженной поверхности массива (условно неподвижный источник) и из отбитой горной массы (источник, перемещающийся по транспортным выработкам). Газо-выделение из отбитого угля усиливается при его переизмель-чении на перегрузочных пунктах и в процессе перемещения, поэтому конвейерная транспортировка угля увеличивает газо-обильность шахт.
Невынимаемые части рабочего пласта (охранные целики; потери по мощности - «невынимаемые пачки»; нарушенные участки, неудобные для выемки и т.п.) остаются в выработанном пространстве. При их разрушении, вызванном горностатическим давлением, происходит дальнейшее выделение метана (процесс десорбции).
Сближенные пласты (спутники) и газоносные вмещающие породы, попадающие в область разгрузки, также изменяют свои фильтрационно-коллекторские свойства. Максимум метановыделения из них соответствует моменту перехода в зону обрушения и полных сдвижений. Поскольку процессы сдвижений в массиве происходят с конечной скоростью, то разгрузка подработанной толщи пород происходит с некоторым запаздываением, и процесс активизации и затухания десорбции из подработанного массива «растягивается» на несколько лет. Метан из этих источников, главным образом, поступает в выработанное пространство, частично -мигрирует на поверхность.
В России так же, как и в других ведущих угледобывающих странах мира, большая часть метана, выделяющегося в шахтах при ведении горных работ, удаляется вентиляцией (в России - 75 %, в Германии, США - более 60 %).
Обязательным условием извлечения метана с целью его промышленного использования на стадии эксплуатации шахты является достижение заданного коэффициента дегазации горных выработок, обеспечивающего метанобезопасность горных работ. Эффективность извлечения метана при прочих равных условиях на данном этапе обеспечивается посредством горнотехнических мероприятий (управлением газовыде-лением).
Метан, выделяющийся из разрабатываемого пласта при очистной выемке, полностью поступает в шахтную атмосферу, где разбавляется до концентрации менее 1,0 %. Он может быть использован только путем извлечения его из общешахтной исходящей струи.
Предварительная дегазация разрабатываемых пластов позволяет снизить долю газовыделения из этого источника в атмосферу шахты путем его извлечения скважинами и изолированного удаления на поверхность по трубопроводам, минуя атмосферу горных выработок. Скважины могут буриться как с поверхности (предварительная дегазация с активным воздействием на массив с целью повышения его проницаемости и газоотдачи), так и из подземных выработок (предварительная дегазация с вакуумированием скважин).
Сближенные пласты и газоносные вмещающие породы в период эксплуатации также могут быть частично дегазированы теми же способами, что и рабочие пласты (разница только в параметрах заложения скважин).
Концентрации метана в отсасываемой из дегазационных скважин смеси при заблаговременной и предварительной дегазации близки к 100 %, однако при его транспортировке по трубопроводам необходимо обеспечивать высокую герметичность, т.к. при вакуумировании подсосы воздуха в дегазационную сеть могут быть весьма значительными.
Отдельным источником метановыделения в период эксплуатации шахт являются выработанные пространства, в которые метан поступает из невынимаемых потерь разрабаты-
ваемых пластов, разгруженных сближенных пластов и вмещающих пород. Из выработанных пространств часть газа вымывается утечками воздуха в атмосферу горных выработок и удаляется системой вентиляции, часть может быть удалена с помощью дегазации. Дебит и концентрация метана в отсасываемой смеси при дегазации выработанных пространств существенно зависит от аэродинамического режима (интенсивности утечек).
К вентиляционным способам, используемым только в нашей стране, относят и так называемые комбинированные схемы вентиляции с отводом части вентиляционной струи через зону обрушения с помощью газоотсасывающих вентиляторов. Эти схемы получили наибольшее распространение в Кузбассе. Они являются весьма эффективными и экономичными с точки зрения удаления метана из рабочего пространства при ведении горных работ, но, с другой стороны, требуют тщательного соблюдения мер по предотвращению взрывов метана на путях его транспортирования на поверхность, что на практике редко обеспечивается (в результате в последние годы почти все взрывы на шахтах происходили на участках, где применялись указанные схемы). Газоотсасывающими вентиляторными установками отводится около 400 м3/мин метана, в том числе в Кузбассе - 395 м3/мин.
Использование таких объемов метана является, конечно, весьма привлекательным. Российскими учеными были заложены научные основы технологий полезного использования метановоздушных смесей с низкими концентрациями метана, но внедрение их так и не осуществлялось. За рубежом уже реализованы технологии использования метановоздушных смесей с концентрациями 3-6 %. В Австралии, например, в результате сжигания низкоконцентрированного метана в каталитических горелках получен первый коммерческий результат. Вентиляционная струя угольной шахты расходом 255 000 м3/час может дать приблизительно в 5 МВт электроэнергии. В США в настоящее время ведутся работы по созданию турбины, работающей на смеси с содержанием метана менее 0,6 %.
Для повышения эффективности утилизации шахтного метана необзодимы способы предварительной его подготов-
ки, предусматривающие управление качеством метановоздушной смеси, извлекаемой как вентиляцией, так и дегазацией. Наиболее рационально осуществлять такое управление на стадии формирования метановоздушных потоков в шахтах, которое происходит в соответствии с иерархической структурой технологической схемы. Начальным уровнем этой схемы являются подготовительные и очистные забои горных выработок - места интенсивного разрушения горного массива.
Десорбирирующийся метан из мест его выделения распространяется в вентиляционно-дегазационной системе выемочного участка, главным образом, за счет турбулентной диффузии в потоках воздуха. Одна часть его поступает в вентиляционную струю забоя, далее - участка, пласта, крыла, блока, горизонта - и, наконец, в общешахтную исходящую струю. Другая часть - поступает в дегазационную систему. Соотношение между этими частями зависит от ряда факторов, определяющих аэрогазодинамические особенности объектов дегазации.
В вентиляционную струю поступает метан, выделяющийся из разрабатываемого пласта и выносимый утечками из выработанного пространства. Метан, выделившийся в забое, по мере транспортирования его вентиляционными струями на поверхность, разбавляется воздухом до концентрации менее 0,75 %. Как правило, содержание его в общешахтных вентиляционных выбросах в атмосферу Земли не превышает - 0,4 %.
В дегазационную систему - метан поступает из дегазируемых источников, которыми могут являться как разрабатываемый пласт, так и сближенные пласты-спутники, и выработанное пространство. В выработанное пространство газ поступает из невынимаемых целиков, сближенных пластов и газоносных вмещающих пород.
Объект дегазации выбирается на стадии проектирования технологии добычи угля на данном участке с учетом прогнозируемого газового баланса (т.е. соотношения долей каждого источника газовыделения в суммарном объеме выделения метана на выемочном участке). При подземном способе дегазации от объекта дегазации метан отводится на поверх-
ность по вакуумированной системе трубопроводов. При этом в трубопроводы поступают «подсосы» воздуха, что приводит к существенному разбавлению метана и снижению качества добывамой метановоздушной смеси.
Потери в содержании метана при дегазации с поверхности значительно ниже, т.к. поверхностные газотрубопроводы, как правило, напорные. Однако и здесь могут быть утечки газа, которые, с одной стороны, представляют собой опасный фактор, а с другой - экономический ущерб. Поэтому в дегазационных системах важно обеспечить герметичность трубопроводов как при подземном, так и при наземном способах добычи метана.
Таким образом, для обеспечения требуемого качества извлекаемых газовых смесей формирование метановоздушных потоков необходимо отслеживать путем мониторинга.
Техническая реализация системного мониторинга метановоздушных потоков в шахтах в настоящее время на базе отечественного оборудования не представляется возможной. На сегодняшний день у нас имеются системы контроля метана в вентиляционных струях, но для дегазационных трубопроводов таковые отсутствуют, т.к. нормативными документами по проектированию дегазации они не предусматриваются.
Это связано с тем, что изначально дегазационные системы создавались не для промышленного извлечения метана, а для снижения газообильности горных выработок. Для целей утилизации метана необходимо создание систем контроля газовоздушных потоков и распределения их в сети дегазационных трубопроводов.
Что касается управления метановоздушными потоками в шахтных вентиляционно-дегазационных системах, то в России имеются уникальные научные разработки, доведенные до опытно-промышленной апробации в условиях отдельных шахт (или участков) [1], но реального широкомасштабного внедрения они не получили в силу ряда объективных причин, связанных с социально-политическими процессами, начавшимися в стране с 1985 г.
С точки зрения достижения высокого качества извлекаемых метановоздушных смесей, обеспечивающего возможность их полезного использования, следует избегать чрезмерного разбавления метана воздухом. Это означает, что для повышения эффективности дегазации следует уменьшать расходы воздуха, подаваемого в горные выработки. С другой стороны, в период эксплуатации шахты важнейшим условием является ограничение по концентрации метана в горных выработках: она должна быть значительно ниже предела взрывчатости, что обеспечивается подачей значительных расходов воздуха.
Это противоречие имеет особое значение для выемочных участков, где системы вентиляции и дегазации имеют аэродинамическую связь через выработанное пространство. Интенсивность разбавления метана в выработанном пространстве (характеризующаяся средней концентрацией метана в потоке, выносимом в горные выработки) линейно зависит от интегрального числа Рейнольдса, характеризующего интенсивность фильтрационного потока утечек через выработанное пространство. Эффективность дегазации выработанного пространства нелинейно зависит от интегрального числа Рейнольдса. Количественные соотношения этих зависимостей определяются аэродинамическими свойствами выработанных пространств [2].
Исследования аэрогазодинамики выработанных пространств показали, что для каждого выемочного участка можно определить область рациональных аэродинамических режимов, обеспечивающих максимально возможную эффективность дегазации выработанного пространства при обеспечении безопасной газовой обстановки в оконтуривающих его горных выработках. Применение таких режимов вентиляции позволит снизить потери качества извлекаемых метановоздушных смесей из выработанного пространства.
Обеспечение рациональных аэрогазодинамических режимов предполагает мониторинг газовоздушных потоков в вентиляционно-дегазационной системе шахты и последующее управление ими.
Исследования аэрогазодинамики выемочных участков при различных схемах вентиляции показали, что при любой
схеме в выработанном пространстве формируется зона высоких концентраций метана, местоположение которой также определяется режимом проветривания (интегральным числом Рейнольдса). Это обстоятельство также необходимо учитывать при определении параметров заложения дегазационных скважин в выработанном пространстве.
Кроме того, для эффективного извлечения метана из объектов дегазации выемочного участка необходимо обеспечивать рациональную работу дегазационной системы. В настоящее время эффективность работы дегазационных установок угольных шахт, используемых для подземной дегазации, значительно меньше проектной, т.к. при их эксплуатации не учитывается необходимость поддержания рациональных газодинамических режимов движения метановоздушной смеси по подземному вакуумному дегазационному трубопроводу. В качестве критериев управления режимом работы дегазационной установки, транспортирующей метановоздушную смесь от скважин на поверхность, рекомендовано использование чисел Рейнольдса и Эйлера [3]. Сравнение фактических значений этих критериев с эталонными (обеспечивающими для данных условий рациональный режим транспортирования) позволяет выполнить диагностику состояния трубопровода и устранить причины низкой эффективности работы установки.
При проектировании расчет конструктивных параметров и технических характеристик дегазационных установок необходимо производить с учетом гидродинамических особенностей движения влажной метановоздушной смеси по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу. Обеспечение рациональных режимов движения влажной метановоздушной смеси по подземному вакуумному дегазационному трубопроводу становится возможным за счет обязательной корректировки расчетных величин диаметров участковых и магистральных трубопроводов по предварительно определенным интервалам критериев гидродинамического подобия. При расчетах режимов движения метановоздушных смесей в системе разветвленных дегазационных трубопроводов необходимо переходить к сетевым расчетам, как это делается для вентиляционных систем. Для этого следует создавать
соответствующее программное обеспечение. Учет сетевых эффектов позволит обеспечить требуемое распределение вакуума по скважинам.
Извлекаемый шахтными дегазационными системами метан имеет принципиальные отличия от природного газа: низкое давление газа, низкое и нестабильное содержание метана в смеси, малые мощности единичных источников газа, пространственная рассредоточенность источников, взрывоопасность метановоздушных смесей и расширение пределов взрывоопасности при сжатии газа; количество механических примесей может достигать 4-6 г/м3. В связи с этим необходима предварительная подготовка газа, причем очистка и осушка шахтного метана, с учетом вышесказанного, отличается от этого процесса для природного газа.
Требования к качеству извлекаемых смесей определяется технологиями использования (утилизации) метана. Факторами, определяющими эффективность утилизации шахтного метана, кроме его кондиций, являются также: расположение потребителей относительно источников газа, давление утилизируемого газа и непосредственно - способ утилизации. Основные направления использования шахтного метана на сегодняшний день следующие.
В основе технологий использования энергетического потенциала метана лежит его сжигание совместно с кислородом (воздухом). По этому фактору шахтный метан (метановоздушная смесь) не имеет отличия от природного газа. Применяя соответствующее устройство - смеситель, можно обеспечить требуемое качество метановоздушной смеси при нестабильном содержании метана, извлекаемого из шахт.
Транспортирование газа к потребителю целесообразно осуществлять под избыточным давлением.
Безнапорный шахтный газ в месте извлечения можно утилизировать в мобильных мотор-генераторных электростанциях и в качестве моторного топлива для автотранспорта. Шахтный метан в основном соответствует ГОСТу на моторное топливо при должной очистке его от механических примесей и осушке: при использовании газа в качестве моторного топлива для автотранспорта его влажность
должна быть менее 9 мг/м и должны отсутствовать механические примеси.
Препятствием для использования шахтного метана как химического сырья является, во-первых, необходимость стабильной и высокой концентрации метана (более 80 %), во-вторых, отсутствие соответствующего оборудования, так как применяемое рассчитано на значительные дебиты метана, стационарно и отличается высокой металло- и энергоемкостью. Первая причина устраняется при заблаговременной подготовке шахтных полей. Необходимый дебит и его стабильность обеспечиваются при заблаговременной подготовке всего шахтного поля или его значительной части в увязке с программой развития горных работ. Вторая причина устраняется за счет упрощения технологических схем переработки метана в конечный продукт и совершенствования применяемого оборудования, а также придания ему мобильности (которая достигается при блочном, блочноконтейнерном или передвижном исполнении).
Для получения метанола, так же как и при биохимической переработке метана, требуется использовать метан, содержащий углерод легкой фракции. В шахтном метане содержание метана легкой фракции составляет около 47 %, причем, отклонение от этой величины не превышает 2-3 %.
Основной недостаток приведенных выше способов утилизации шахтного газа - необходимость высокой концентрации метана в извлекаемой газовой смеси. В связи с этим наибольший интерес представляют технологии, обеспечивающие утилизацию метановоздушных смесей в максимально возможном диапазоне концентраций метана. Данному требованию отвечает утилизация метана в двигателях внутреннего сгорания, в том числе в технологиях утилизации безнапорного шахтного метана непосредственно на скважинах с получением электрической и тепловой энергии.
В отношении технологий использования шахтного метана наша страна находится на очень низком уровне. Наиболее востребованной и поэтому наиболее отработанной является технология сжигания метана в шахтных котельных (с добавлением природного газа или без него). По остальным технологиям имеются отдельные технические решения, рекомен-
дации по использованию на уровне научно-
исследовательских и опытно-конструкторских разработок, в лучшем случае, прошедших опытно-промышленные испытания. Это связано с той же самой причиной, о которой говорилось выше: дегазация на шахтах осуществлялась только с целью обеспечения метанобезопасностги горных работ, поэтому потребителей технологий извлечения и использования шахтного метана не было, что не способствовало их развитию.
Сегодня этот вопрос приобрел актуальность как в энергетическом, так и в экологическом аспектах (метан - парниковый газ), что требует ускоренного создания отечественных технологий промышленного извлечения и использования шахтного метана.
Выводы:
1. Основными источниками выделения метана в шахтах являются угольные пласты (разрабатываемые и сближенные, попадающие в зону разгрузки массива горными работами) и вмещающие породы. В качестве отдельного источника рассматриваются выработанные пространства, газ в которые поступает из оставляемых в зоне обрушения не вынимаемых целиков (потери по площади пласта) и пачек угля (потери по мощности пласта), сближенных пластов и газоносных вмещающих пород. Из выработанных пространств газ утечками выносится в вентиляционную сеть шахты и в систему дегазации; соотношение этих потоков зависит от аэродинамических свойств выработанных пространств. Задачи эффективного извлечения метана на этапе эксплуатации шахт из всех источников можно считать в достаточной степени решенными как в научном, так и в техническом плане.
2. Уровень изученности аэрогазодинамики выработанных пространств и дегазационных установок обеспечивает методические основы управления метановоздушными потоками в вентиляционно-дегазационных системах шахт. При этом необходима разработка программного обеспечения расчетов дегазационных сетей на том же уровне, что и для вентиляционных систем.
3. Вентиляция и дегазация угольных шахт изначально осуществлялись с целью обеспечения метанобезопасности
горных работ, что обусловило отсутствие потребителей технологий извлечения и утилизации шахтного метана. С этим связано существенное отставание России в этой сфере. Для успешного развития указанных технологий основное внимание должно быть сконцентрировано на создании систем контроля и управления метановоздушными потоками в шахтных вентиляционно-дегазационных системах, а также разработки технических средств, обеспечивающих промышленное использование каптируемого метана.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. - М.: Недра, 1992. - 400 с.
2. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах угольных шахт. - М.: Изд-во МГГУ, 1995. - 312 с.
3. Малашкина В.А., Вострикова Н.А. Определение рациональных режимов работы дегазационных установок угольных шахт. ГИАБ / Тематическое приложение «Аэрология», - М.: Изд-во МГГУ, 2005. - С. 61-69.
і— Коротко об авторах-------------------------------------------
Каледина Нина Олеговна - профессор, доктор технических наук, заведующая кафедрой «Аэрология и охрана труда»,
Малашкина В.А. - профессор, доктор технических наук, кафедра «Аэрология и охрана труда»,
Московский государственный горный университет.
