CC BY
51
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______
Ю.Ф. Васючков, проф. д.т.н.,
Московский государственный горный университет
СКВАЖИННЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Потребность в ископаемом угле и его доля в топливноэнергетическом балансе колеблется в разных странах [1] и зависит от потребностей общества, экономической политики государства и отношения его к своим национальным сырьевым ресурсам. На рис.1 представлены эти значения для некоторых угледобывающих стран. В связи с ограниченными запасами нефти и газа роль угля в экономике стран будет со временем возрастать.
Современные технологии разработки угольных месторождений эволюционируют по пути совершенствования традиционно сложившегося цикла: провести вскрывающие и подготовительные выработки до угольного пласта, отделить тем или иным способом уголь от массива, выдать его на поверхность и переработать. Этот цикл называют традиционных технологий разработки угольных месторождений. В нем важное место занимает транспорт полезного ископаемого от поставщика потребителю, которым являются ТЭС, котельные, бытовой сектор и коксохимические предприятия.
Указанный цикл характеризуется как значительным объемом добычи и переработки угля (до 4.5 млрд. т. в год), так и крайне низкой энергетической и технической эффективностью, а по экологическому ущербу стоит на одном из первых мест среди других отраслей промышленности. Табл.1 характеризует недостатки традиционных технологий добычи угля.
В последние десять лет все острее ощущается недовольство правительств ряда угледобывающих стран Европы экономической убыточностью угольных шахт. В частности, плохие экономические
показатели работы угольных предприятий тяжелым бременем ложатся на экономику этих стран, понуждают осуществлять реструктуризацию угольной промышленности. Так, в Соединенном Королевстве за период с 1990 по 1995 г объем добычи каменного угля сократился со 100 до 30 млн. т, при этом уволено 42 тыс. чел. Сейчас шахты СК добывают уголь с затратами примерно равными дорогим мировым ценам на уголь. В Германии в ходе реструктуризации объем добычи угля сократился за пять лет на 20 млн. т, а численность занятых - на 30 тыс. чел. В 1996 г каждая добытая тонна угля субсидировалась государством в размере 200 немецких марок. Испания и Франция также закрывают нерентабельные шахты.
В России объем добычи угля за тот же период сократился на 150 млн. т и освободилось 75 тыс. рабочих мест. За это время доля государственных субсидий угольной отрасли в цене угля уменьшилась с 77 до 23%.
Рис. 1. Доля угля (%%) в топливном балансе угледобывающих стран:
1 - Польша, 2 - Германия, 3 - США,
4 - Россия, 5 - Франция
На Украине, несмотря на превышение цен на уголь уровня цен мирового рынка, издержки на его добычу превышают внутренние цены на 10%. В Польше внутренняя цена за 1 т угля дошла в последние годы до 40 долл. США, что несколько превышает издерж-
ки производства. Тем не менее производительность труда в польских шахтах составляет в среднем 800 т на человека в год (в США этот показатель равен 8670 т). В Чешской республике и Венгрии угольные предприятия уже не субсидируются государством. Румыния и Болгария пока добывают уголь, предоставляя угольной отрасли государственные субсидии.
Таким образом, во всем мире остро стоит вопрос о неотложной необходимости сокращения капитальных затрат на угледобывающих предприятиях, издержек производства, перехода на бездотационную работу, повышения социальной привлекательности и безопасности труда, снижения экологического вреда. Этот императив и является следствием тех техникоэкономических, экологических и социальных недостатков функционирования угледобывающих предприятий на современном этапе, которые отмечены в табл. 1.
Проблема коренного повышения эффективности угледобывающего производства настолько актуальна, что в ряде стран переходит в проблему социальной стабильности в обществе.
Технология разработки угольных месторождений должна быть преобразована на качественно иной уровень, базой которого, по нашему мнению [2,3], являются скважинные методы их разработки. Альтернативой этому может являться только совершенствование традиционных технологий, основанных на проведении горных выработок. Но именно последние и являются самыми затратными, а поэтому бесперспективными в стратегическом плане.
Создание скважинных технологий разработки (лучше сказать -
освоения) угольных месторождений | ♦ создания средств внутрипла- |
Таблица 1.
Технико-экономические и социальные недостатки традиционных технологий добычи угля
Показатели Ед. измерения Значение Источник
Крайне низкая степень использования энергии угля % от теплотворной способности угля 6-8 Все угледобывающие страны
Высокая трудоемкость при подземном способе разработки чел. см./ т 0.03-0.4 США,Австралия -Россия, Украина
Высокая материалоемкость процесса добычи и переработки угля т стали/т угля в сутки 2-3 КНР, Россия, Казахстан
Высокий расход электроэнергии на добычу и доставку угля квт-ч/ т 30-40 Россия, Казахстан
Затратное использование воздуха для вентиляции шахт т воздуха / т угля 6-10 Казахстан, Россия, Украина
Значительная доля добываемой и транспортируемой пустой породы в необогащенных классах % 2.5-26.0 / 8-38 Россия, Украина
Значительная часть угля, идущего на обогащение % 28 Россия
Экологический ущерб окружающей среде: - выброс пород - выброс метана, до - затраты на рекультивацию земли т породы / т угля млн. т/шахта -год руб./т 0.25- 0.3 10 3-15 Россия, Украина Россия, Польша, Япония, КНР, Германия Россия
Высокие затраты на добычу, доставку и переработку угля Экю / т.у.т. 60-150* Г ермания и др. европ. страны
Высокий травматизм при работе по добыче угля чел./ млн. т 1-2 Россия, Украина
* Данные из [1].
может осуществляться двумя принципиально разными путями: с получением на поверхности твердого топлива (скважинная твердотопливная - СТТ) и с получением на поверхности газообразного топлива (скважинная газотопливная -СГТ) - рис. 2. Путь перевода угля из твердо-пластового в жидкое состояние пока не рассматривается из-за отсутствия сейчас и в ближайшем будущем реальных средств внутрипластово-го растворения угля.
Развитие скважинных технологий освоение угольных месторождений должно быть основано на процессах:
♦ внутрипластовой дезинтеграции угольного массива;
♦ перевода угля в недрах в транспортабельное состояние;
стовой отбойки угля и доставки отбитого угля к скважине и подъема его на поверхность;
♦ управления кровлей в выработанном пространстве;
♦ селективного извлечения угля из недр с оставлением в них пустой породы;
♦ комплексного использования угля и угольного метана.
Технология СТТ основана на скважинной добыче угля и выдаче его на поверхность. Для осуществления такой технологии можно использовать физико-химические средства дезинтеграции угольного массива.
Из наиболее отработанных таких средств воздействия широко опробована и показала существенно положительный эффект солянокислотная обработка угольных пластов, в которых карбонатных
включений содержится 0.5-0.6% и более [4]. Установлено, что после солянокислотной обработки пористость угля увеличивается на 65-78%, а проницаемость для газа в 20 и более раз. Зольность угля после такого воздействия снижается на 0.92.6%.
Физико-химическое воздействие позволяет уменьшить крепость угля на 20-30 % и является основой дезинтеграции угольного массива. Механизм (природа) такого направленного изменения прочностных свойств угольного массива известен: растворение минералов угля, сорбция кислоты на угле, расширение просветно-сти эндогенных трещин, изменение дифференциальной пористости угля.
Другим физико-химическим инструментом внутри-пластового разупрочнения угольного массива является его микробиологическая обработка. В ходе промышленных испытаний показали свою перспективность в указанном плане культуры (вернее-штаммы) АЛготоЬаСег
delicatulus и ТЫоЬасШш
ferrooxidans, которые, находясь в биосуспензии с минеральными солями, обеспечили эффективность 40-43% по снижению серосодержа-ния угля [5]. Разрушение сернистых соединений в минеральной части угля имеет следствием дезинтеграцию угольного массива. По нашим оценкам, степень такой дезинтеграции может быть определена в размере 15-25%.
Комбинированное воздействие на угольный массив различными растворами и газами позволит осуществить значительную дезинтеграцию массива (до 50-60% по массе).
Отбойка и доставка угля от массива к скважине осуществляется гидравлическим путем. Для этого необходимы гибкие гидромониторы, обладающие возмож-
2 і 1999
163
раины и МГГУ. Известен опыт применения скважинного гидромонитора в Белгородской области для добычи гематита. Принципиальная схема скважинной добычи угля с использованием гибкого гидромонитора и получением твердотопливного продукта на поверхности приведена на рис. 3. В основу технологии положен принцип возвратно-поступательной от
бойки угля высоконапорными водяными струями от массива, разу-прочненного физико-механическими растворами. Отбойка и выдача угля на поверхность может осуществляться через одну и ту же скважину, а можно использовать для подъема отбитого угля и специальные продуктивные (выдач-ные) скважины.
В левой части рис. 3 показана закладка выработанного пространства. Она используется для увеличения радиуса влияния продуктивной скважины. Вопрос о ее применении решается на основе экономического сравнения вариантов закладки и поддержания кровли на целиках (без закладки), | а также путем оптимизации расстояния между закладочной и продуктивной скважиной.
Таким образом, две наиболее важные проблемы стоят перед широким промышленным использованием технологии СТТ:
♦ создание высокопроизводительных и надежных гибких гидромониторов;
♦ создание технологических схем доставки угля по выработанному пространству к продуктивной скважине и средств подъема отбитого угля по этой скважине на поверхность.
Технология СГТ основана на переводе угля в массиве из твердого состояния в газообразное, т.е. на процессе подземного сжигания (ПСУ) угля. Являясь в принципе физико-химической, эта технология известна более века, однако широкого распространения до сих пор не получила. Не обсуждая причины этого, укажем, что в настоящее время работами МГИ,
Таблица 2
Преимущества скважинной газотопливной технологии
Показатели Единицы измерения Значения
Более высокая эффективность исполь-ования геологических запасов % до 90-95
Более высокая производительность труда рабочего по добыче раз в 8-12
Меньшие капитальные затраты раз в 3-5
Меньшие эксплуатационные расходы на добычу % 30
Быстрая окупаемость капитальных затрат лет 2-3
Высокая эффективность использования энергии угля % до 60
Процессы обогащения, складирования породы и рекультивации поверхности - отсутст- вуют
Процессы подъема и доставки угля по поверхности - отсутст- вуют
Меньшие выбросы вредных и парникового газов раз в 4-5
Высокий уровень автоматизации и механизации труда % 90-95
ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИИГАЗ, б. ПО “Средазуголь” (ныне - АО “Уголь”) созданы технологии ПСУ, позволяющие получать генераторный горючий газ с теплотворной способностью до 15 МДж/м3. Для этого имеются такие управляющие средства, как физико-химические присадки (добавки) к поступающему в очаг горения свежему воздуху, движущаяся (“плавающая”) точка подачи окислителя к очагу горения, рациональное размещение воздухоподающих и продуктивных скважин, регулирование расхода окислителя, поступающего в очаг горения, управление протяженностью зон окисления, сгорания и восстановления, использование парокислородных смесей для подачи в качестве окислителя, подпитка свежего окислителя природным газом, использование вертикально-горизонтальных и наклонно-горизонтальных скважин. Можно ожидать, что при умелой комбинации перечисленных управляющих средств теплотворная способность генераторной смеси составит до 20 МДж/м3.
Перед использованием генераторного газа в качестве топлива от него отбирается теплота сгорания угольного пласта для утилизации.
Процесс добычи угольного метана также достаточно ясен: метан из газоносных угольных месторождений следует получать через поверхностные скважины с использованием гидрорасчленения угольных пластов, в том числе и с применением физико-химических средств воздействия на массив для интенсификации его метаноотдачи.
Опыт применения гидравлических и физико-химических средств при гидрорасчленении газоносных угольных пластов в Карагандинском (11 шахт) и Донецком (12 шахт) бассейнах показал, что дебет метана этих скважин после их должного освоения составляет до 6-8 м3/мин [4]. В то же время известно, что в США на газоносных угольных месторождениях дебет метана из добычных скважин после гидрорасчленения (по терми-
2 Л 1999
нологии США - гидроразрыва) достигал до 20-25 м3/мин. Применяя физико-химические средства интенсификации метаноотдачи угольного массива, можно расчитывать на дебиты метана 10-15 м3/мин из одной скважины.
В нашей работе [3] проанализированы технические возможности комбинации горючих генераторных газов от ПСУ с угольным метаном и показана техническая перспектива для обеспечения высокой производительности горючей смеси и выработки электроэнергии. Этот процесс обеспечивается путем использования современных технологий выработки электроэнергии, например, на основе электрогенератора с комбинированным парогазовым циклом. Такие установки существуют и обеспечивают эффективность преобразования газового топлива до
50-55 %.
Таким образом, технология СГТ, являясь наиболее освоенной по отдельным фрагментам (действующая Ангренская станция “Подземгаз”), обеспечивает поточность автоматизированного процесса преобразования энергии угля в электрическую и тепловую энергию и является в настоящее
время самой перспективной с технологической точки зрения.
Социальные и экономические преимущества технологии СГТ приведены в табл. 2.
Кроме указанных преимуществ скважинной технологии самым, пожалуй, важным является создание безопасных условий труда, повышение социальной привлекательности работы в топливноэнергетическом комплексе, снижение производственного риска.
Заключение
Оценивая возможность перехода на скважинные технологии разработки угольных месторождений следует прийти к следующим выводам:
1. Выбор для строительства пилотной установки по технологиям СТТ или СГТ должен решаться на основе экономического анализа.
2. Наиболее перспективной и наиболее быстро осуществимой является технология СГТ.
3. Отдельные элементы технологии СГТ освоены промышленностью и могут быть сравнительно быстро интегрированы в комплексную технологию горноэнергетического предприятия.
4. В создании пилотного, а затем и опытно-промышленного
163
предприятия по использованию скважинной технологии должны принимать участие работники науки, угольных и энергетических предприятий.
5. Работы по созданию скважинного пилотного горно-энергетического предприятия могут решать глобальные проблемы не только коренного повышения эффективности работы ТЭК, но и охраны природы, в частности по пути развития программы Global Environment Farility.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Доклад рабочей группы по углю ЕЭК ООН на 6-ой сессии 4-6 ноября 1996 г. Energi / WP./R.56, 1996 г., 41 с.
2. Vasyuchkov Yu. F., Vorobiev B.M., Vasioutchkov K. Yu. Un conventional Mining - New Generation of Mining Technolody of the 21-st century. Reports of Society for Mining, Metallurgy and Exploration, 1997, N97-45, Littleton, Col., USA, 9 pp.
3. Васючков Ю.Ф. Проблемы использования скважинных методов разработки угольных месторождений. Сб.
докладов на Международной конференции 12-13 ноября 1998 г. «Нетрадиционные методы разработки полезных ископаемых”. Изд. Высшей горной школы. Острава, 1998, с. 271-277.
4. Васючков Ю.Ф. Физикохимические способы дегазации угольных пластов. М., Недра, 1986, 255 с.
5. Васючков Ю.Ф. О перспективе использования биотехнологии для снижения сернистости угля. Доклады 3-ей Международной конференции “Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология”. С.-Петербург, 1988, с.
51-55.
© Ю.Ф. Васючков
