CC BY
43
УДК 622.411.33:533.17:622.86
Л.А. Пучков, С.В.Сластунов
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТАНОБЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ - КЛЮЧЕВАЯ ЗАДАЧА УГОЛЬНОЙ ОТРАСЛИ РОССИИ
В сложившихся экономических условиях развития нашей страны решение проблемы метанобезопасно-сти в целом и, в частности, проблемы извлечения и использования метана из угольных месторождений не может быть осуществлено только на уровне угледобывающих предприятий в связи с незаинтересованностью частных угольных компаний в масштабных инвестициях для обеспечения мета-нобезопасности угледобычи, и, следовательно, отсутствием условий для создания необходимой технической базы, материальных стимулов, целенаправленной работы по обучению и повышению квалификации кадров, снижением требований к качеству и объемам дегазации. Эта проблема может быть решена только на государственном уровне, но, безусловно, с участием угольных компаний и региональных органов.
Необходимость этого решения определяется следующими факторами:
- созданием безопасных условий труда шахтеров и предотвращением взрывов метана и угольной пыли, обеспечивающих социальную стабильность в угледобывающих регионах;
- повышением эффективности использования фронта горных работ на угольных шахтах и снижением на этой основе издержек производства;
- экономической эффективностью использования каптируемого метана в качестве дополнительного ресурса топлива и химического сырья на основе комплексного освоения ресурсов угольных месторождений;
- улучшением экологической обстановки в угольных регионах;
- деятельностью в рамках выполнения Киотского соглашения о сокращении выбросов парниковых газов.
За последние годы состояние дегазации и проветривания на угольных шахтах резко ухудшилось, что наряду с другими причинами способствовало увеличению числа взрывов метана и угольной пыли. Так, например, на шахтах России за последние 15 лет по этому фактору произошло более 250 аварий, в том числе более 200 взрывов, при этом погибло более 500 человек (аварии на шахтах, «Зыряновская», «Первомайская», «Центральная», «Воркутинская», «Тайжина», «Листвяжная» и многих других).
Ключевая проблема тяжелейшей ситуации в отрасли
- отсутствие системного обеспечения метанобезопасно-сти угольных шахт.
Высокая газообильность шахт является одним из основных факторов, сдерживающих повышение эффективности производства. Применение дегазации позволяет повышать нагрузку на очистной забой в 1,5-2,0 раза, что существенно снижает себестоимость добычи угля. При разработке газоносных угольных пластов с нагрузками 1500-2000 т в сутки необходимо обеспечивать эффективность дегазации на уровне 35-40 %, при нагрузках, более 3000 т/сутки - 50-60 %. Однако в настоящее время многие угледобывающие предприятия СНГ имеют значительно большие нагрузки на очистные забои. В Карагандинском угольном бассейне суточные нагрузки на очистной забой после реструктуризации шахт составляют от 3-5 до 17, 5 тыс. т в сутки. Например, месячная добыча угля на шахте «Тентекская» превысила 400 тысяч т. Еще большие нагрузки на шахте «Распадская» в Кузбассе. При такой массе разрушаемого угля выделяются столь огромные объемы метана, что не только средствами вентиляции, но и применением самых эффективных комплексных схем дегазации (например, в наиболее технически оснащенном в этом направлении Карагандинском бассейне, это подземная пластовая дегазация, дегазация выработанного пространства вертикальными скважинами с поверхности, дегазация из подземных выработок скважинами в купола обрушения, газоотсос из-за перемычек и т.д.) с эффективностью
до 70-80 %, не всегда обеспечивает безопасные условия труда шахтеров.
В настоящее время в мире действует около 4000 угольных шахт, в которых добывается более 2 млрд т угля, при этом выделяется более 20 млрд м3 метана. В СНГ на шахтах выделяется более 8 млрд м3 метана. За последние 40 лет выделение метана в атмосферу из шахт Кузбасса возросло в 8 раз, Воркуты - в 4 раза.
Известно, что метан - активный парниковый газ, воздействие которого в 21 раз превышает двуокись углерода, его выделение ведет к образованию фотохимического смога в городах, негативно влияет на состояние озонового слоя. По механизму реализации Киотского соглашения сокращение эмиссии 1 т двуокиси углерода (эквивалента парниковых газов) будет приносить предприятиям до 25 Евро по информации из материалов совещания рабочей группы экспертов при Европейской энергетической комиссии ООН в Женеве в январе 2006 г. (в ближайшей перспективе значительно больше), что только по этому фактору может окупить все необходимые инвестиции на реализацию программы «Метанобезо-пасность».
Важнейшим в настоящее время приоритетным направлением работ по извлечению и использованию метана является промышленная дегазация пластов угля на полях действующих шахт, которая осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности и из горных выработок. Объемы работ по дегазации на шахтах России недостаточны, при этом в Кузбассе за последние годы они снизились более чем в 2 раза.
При создавшейся ситуации взрывы метана со всеми трагическими последствиями будут неизбежно продолжаться.
К сожалению, разрешение этой давно очевидной катастрофической ситуации недопустимо растянулось во времени. Еще в 1999 г. Министр топлива и энергетики России издал приказ № 128 от 19.04.99 «Об организации работ по проблеме «Метанобезопасность», где предусматривалось по линии Углекомитета финансирование за счет средств господдержки в рамках плана НИОКР научно-технических разработок по извлечению и использованию метана на действующих и за-
крываемых шахтах России. Также предусматривалась реализация инвестиционных проектов по проблеме «Метанобезо-пасность» в приоритетном порядке для угледобывающих предприятий Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов. Предусматривалось также создание в Кузбассе и Воркуте специализированных структурных подразделений по решению всего комплекса метановых проблем в бассейнах. Тогда же была разработана Программа научно-исследовательских, опытно-конструкторс-ких и строительно-монтажных работ по проблеме «Метанобезопасность», которая была согласованна с Госгортехнадзором России и утверждена руководителем Углекомитета. Однако централизованное финансирование не было обеспечено, несмотря на то, что у разработчиков программы, в первую очередь у МГГУ, были готовые к реализации научные и проектные разработки.
Эффективное развитие работ по извлечению и использованию метана из угольных месторождений сдерживается рядом факторов, основными из которых являются:
- ограниченность централизованных финансовых средств в угольной отрасли;
- отсутствие экономической заинтересованности предприятий в комплексном освоении ресурсов угольных месторождений;
- отсутствие современных средств и систем контроля вентиляционных и дегазационных потоков при разработке угольных месторождений;
- нежеланием собственников угольных предприятий инвестировать работы по обеспечению метанобезопасности в необходимых объемах, особенно когда речь идет о «длинных» инвестициях, которые неизбежны и связаны со спецификой рассматриваемых работ;
- отсутствием государственной поддержки (особенно в законодательной области) решения важнейшей социальной задачи: обеспечения безопасности труда шахтеров, важной экономической и экологической проблемы извлечения и использования метана угольных пластов, что имеет место в ряде развитых стран мира;
- отсутствие специализированных структур, обеспечивающих выполнение работ по извлечению и использованию метана;
- разобщенность научно-технических работ: создание и внедрение новой техники и технологии дегазации и использования метана осуществляется в рамках параллельных программ и проектов без единого научного и организационного руководства.
Необходимо отметить, что МГГУ имеет необходимый опыт и высококвалифицированных специалистов для реализации общей программы работ по названному направлению. МГГУ с привлечение ведущих научных и научнопроизводственных и производственных предприятий, учреждений и организаций (ИПКОН РАН, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ РАН, ОАО «Промгаз», ОАО «Газпром», ОАО «Воркутауголь», Управление «Спецшахтомонтаждега-зация» (угольный департамент «МИТТАЛ СТИЛ ТЕМИРТАУ») может взять на себя общее руководство по реализации комплексных проектов, включающих в себя следующие основные разделы:
1) Заблаговременная дегазационная подготовка (ЗДП) шахтных полей скважинами с поверхности (за 5-7 лет).
2) Предварительная дегазационная подготовка (ПДП) неразгруженного углегазоносного массива скважинами с поверхности (на выемочные участки или их контуры).
3) Дегазация разгруженного углегазоносного массива (в увязке с горными работами по добыче угля).
4) Утилизация угольного и шахтного метана.
5) Разработка эффективных схем вентиляции с учетом динамики отработки месторождения (моделирования, системное представление).
6) Контроль метанобезопасности при ведении горных работ.
7) Обоснование параметров схем управления газовыде-лением (вентиляции и дегазации) при высокопроизводительной отработке запасов угля.
В свете изложенного считаем крайне необходимым и незамедлительным решение главного организационного вопроса в рассмотренной проблеме, имеющей важнейшее значе-
ние для угольной отрасли - возобновление отраслевой федеральной программы «Метанобезопасность», включающей этап НИОКР (2006-2008 гг.) для завершения и доведения до практической реализации на стадии опытнопромышленных испытаний имеющегося у названных организаций научно-технологического задела и основной этап реализации инвестиционных проектов на первоочередных объектах угольной отрасли (2006-2010 гг.).
Рассмотрим возможный порядок реализации основных мероприятий по комплексному решению проблемы обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 20062010 гг. Как известно, впервые в мировой практике извлечение метана из неразгруженных от горного давления угольных пластов через скважины, пробуренные с дневной поверхности, осуществлено по инициативе советских ученых в начале шестидесятых годов прошлого века. Разработка этой технологии в нашей стране была обусловлена, главным образом, необходимостью обеспечения безопасности горных работ на шахтах, разрабатывающих выбросоопасные угольные пласты. Что касается промысловой ценности извлекаемого чистого угольного метана, то этому ресурсу в нашей стране не уделялось большого внимания из-за невысоких дебитов метана по сравнению с дебитами природного газа на традиционных газовых месторождениях. Огромные запасы отечественного природного газа, извлекаемого в больших объемах хорошо отработанными технологиями, вне всякого сомнения, в российских условиях экономически более выгодны, чем извлечение и использование нетрадиционного энергоресурса -угольного метана.
Существенным фактором, понижающим инвестиционную привлекательность проектов дегазации угольных пластов, является большой интервал времени (не менее 3 лет) между вложением капитала и экономической отдачей в виде повышения производительности, обеспечения безопасности и снижения затрат на шахтную вентиляцию. Использование для реализации проектов банковского кредита на 3 года и более оказывается экономически несостоятельным. Что касается использования шахтой собственных средств, то этот путь также сложен для реализации, поскольку свободные
средства могут быть использованы для производственных нужд с более быстрым оборотом. При этом конечно, не в полной мере учитывается фактор без аварийной работы предприятия, сохранения человеческой жизни и экология.
Выходом из создавшейся ситуации является решение проблемы метанобезопасности, что приведет к соответствующему увеличению масштабов извлечения и использования угольного метана, например, в качестве энергоносителя или химического сырья, направляемого потребителю по магистральным газопро-водам. Однако для реализации данного направления необходимо иметь развитый рынок региональных потребителей и соответствующую инфраструктуру. То и другое в условиях России требует значительных начальных материальных средств, механизм поступления которых в условиях рыночной экономики следуют еще создать.
Такая же ситуация имеет место с метаном, извлекаемым средствами шахтной дегазации. Скважины, пробуренные в угольные пласты из горных выработок, подсоединенные через подземные трубопроводы и вакуум-насосу, позволяют извлекать менее ценный энергоресурс - метан, смешанный с воздухом. Шахтные метано-воздушные смеси обладают значительным энергетическим потенциалом, однако, их подача в магистральные трубопроводы невозможна, в первую очередь из-за наличия взрывоопасного кислорода, а также азота. Поэтому отделение метана от воздуха требует дополнительных средств и является совершенно необходимой технологической операцией перед подачей газа в магистральные газопроводы.
Другой путь использования метано-воздушных смесей -это получение тепловой и электрической энергии, используемой как для собственных целей, так и для передачи во внешнюю энергосистему. Целесообразность того или иного технологического решения по дегазации пластов определяется экономическими критериями, учитывающими промысловую ценность энергоносителя, внутренние энергетические потребности шахты, факторы повышения производительности и экологии. Однако самым главным факторам следует считать безопасность горных работ, особенно при отработке газоносных угольных пластов.
Наряду с безопасностью, в последние годы все больше внимания уделяется. экологической проблеме сокращения выбросов в атмосферу угольного метана. По данным международной организации «Methane to Markets Partnership» (основана в США 28.07.2004 г.), глобальная эмиссия метана в 2000 году составила 440 млн т в эквиваленте СО2. В том числе распределение по странам следующее: Китай - 40 %; США - 14 %; Россия - 7 %; Украина - 7 %; Северная Корея -б %; Австралия - 4 %; Польша - 3 %; Индия - 2 %; Германия - 2 %; Казахстан- 2 %; другие - 13 %. В глобальной эмиссии вклад шахтного метана составляет 8 %. В то же время в 2020 году эмиссия мирового угольного метана возрастет и составит 5б1 млн т.
Необходимость сокращения эмиссии метана и его практическое использование открывает ряд преимуществ, особенно для стран, не имеющих значительных запасов природного газа. По данным этой же организации известно, что к 2010 году шесть из 12 крупнейших эмиттеров, будут испытывать потребность в природном газе, в том числе:
- США (125 млрд м3),
- Китай (35 млрд м3),
- Казахстан (31 млрд м3),
- Индия (29 млрд м3).
Развитие направления скважинной добычи и использования шахтного метана в России должно соответствовать мировым тенденциям. Анализ мирового опыта, в первую очередь США, Австралии, Германии и Японии свидетельствует о том, что в угледобывающей промышленности мира сложились четыре технологии добычи метана, определяемые как:
- вентиляционный метан, концентрация менее 1 %;
- метан из пластов действующих шахт, концентрация 25-б0
%;
- метан из выработанного пространства закрытых угольных шахт, б0-80 %;
- метан из неразгруженных угольных пластов, концентрация более 95 %.
Параметры экономичности действующих технологий извлечения и использования угольного метана складываются из трех типов затрат: проектные, капитальные и производственные. Доходы складываются вследствие продажи энергии, использования энергии на собственные нужды и продажи углеродных кредитов (права на сокращение эмиссии углекислого газа). В настоящее время перечисленные технологии уже прошли достаточно широкую промышленную апробацию за рубежом, имеется опыт в нашей стране, а их реальность сомнений не вызывает. Тем не менее, сдерживающим фактором является технико-экономическая эффективность реализации технологий особенно на начальном пути их становления.
Наиболее впечатляющие успехи добычи и использования угольного метана различных концентраций (более 25 %) достигнуты в США. Для извлечения чистого метана из неразгруженных угольных пластов ежегодно осуществляют бурение с земной поверхности порядка 3000 скважин. Угольный метан собирают с множества скважин в единый коллектор и затем с помощью компрессора по трубопроводам направляют потребителям. В обязательном порядке, с целью обеспечения безопасности и извлечения метана, осуществляют дегазацию газоносных угольных пластов с помощью скважин, пробуренных из горных выработок, а также скважин, пробуренных с поверхности в зоны разгрузки и в выработанное пространство. В промышленности США наибольшую потребительскую ценность представляет чистый метан, поэтому там все более широко используют технологии разделения метановоздушных смесей (например, криогенные технологии удаления Н2Э, СО2 и Ы2 ) [34].
Масштабное внедрение нетрадиционной технологии скважинной добычи угольного метана в США стало осуществляться на основе крупной государственной поддержки. Весомой причиной масштабного вложения капитала является также то, что США, в отличие от России, не имеет крупных газовых месторождений, а потребность природном газе очень велика. Существенным фактором продвижения технологии промысловой добычи угольного метана в США является так же то, что эта технология характеризуется высокой экологической чистотой, по
сравнению с традиционными технологиями добычи угля, нефти и природного газа.
Отечественные технологии извлечения угольного и шахтного метана по своим производственным показателям не уступают зарубежным. Однако отечественные технологии не нашли широкого применения в России из-за значительной стоимости подготовительных мероприятий. Фактор безопасности в экономических расчетах учитывается не в полной мере. В то же время известно, что затраты на ликвидацию крупных аварий многократно превышают необходимые средства для широкомасштабного внедрения технологий дегазации пластов и использования метана.
Исходя из изложенного, можно утверждать, что, несмотря на большой объемный потенциал угольного метана в России, учитывая нашу обеспеченность месторождениями природного газа, подход к развитию отечественной технологии скважинной добычи угольного метана, необходимо связать:
- в первую очередь с обеспечением безопасности разработки газоносных угольных месторождений. Такой подход с точки зрения прямого экономического эффекта более обоснован, чем использование угольного метана в энергетике;
- во вторую очередь, по мере расширения потребительской инфраструктуры и рынка угольного метана следует стимулировать технологии дегазации пластов и промыслового извлечения метана, как из кондиционных, так и некондиционных угольных пластов.
Фактор промысловой ценности добычных скважин будет способствовать увеличению срока их службы. Ратификация Россией Киотского протокола, уже сейчас стимулирует технологические решения по утилизации метана угольных шахт в России. В этой связи воплощение в производстве передовых отечественных и зарубежных разработок по добыче и использованию угольного метана представляется весьма актуальным и перспективным.
Решение проблемы обеспечения метанобезопасности при подземной разработке высокогазоносных угольных месторождений в период до 2010 года в России должно происходить следующими путями:
- совершенствование законодательной базы разработки угольных месторождений;
- организационные и технологические мероприятия.
Очевидно, что в условиях рыночной экономики разработчики угольных месторождений выбирают технологии добычных работ на основе критерия минимума эксплуатационных затрат, который лишь косвенно учитывает факторы безопасности и экологию.
Если посмотреть на опыт США, Германии, Австралии и Японии, то там продвижение технологий извлечения и использования угольного метана стало возможным на базе государственной технической политики и соответствующих законов в области горного дела и защиты окружающей среды. При этом в основе действующих законов поставлен фактор минимизации или исключения риска человеческой жизни при разработке угольных месторождений. Другими словами, в развитых странах стандарты человеческой жизни поставлены на очень высокий уровень.
Современная Россия также обязана обеспечить условия высочайшей безопасности при разработке угольных месторождений. Однако надо признать, что такие условия лозунгами и призывами создать невозможно. Многочисленные административные попытки обеспечения высокой безопасности при подземной разработке угля в СССР, как известно, к большому успеху не привели.
В последние 10-15 лет, в период перестройки угольной промышленности в России были закрыты ряд выбросоопасных и высокогазоносных шахт. В результате реструктуризации угольной промышленности количество катастрофических аварий действительно сократилось. Однако, тем не менее, взрывы шахтного метана и выбросы угля, к сожалению, не прекратились, что свидетельствует о недостаточных мерах обеспечения безопасности. С ростом нагрузок их вероятность только увеличивается и охватывает уже шахты более низкой категории опасности.
Радикальным государственным мероприятием, которое позволит полностью обезопасить эксплуатацию угольных месторождений является следующее концептуальное положе-
ние: запретить разработку угольных пластов с газоносностью более 9 нм3/т.
При отклонении от установленной нормы предельной газоносности следует законодательно обязать шахты осуществлять дегазацию пластов. С точки зрения практической реализации такое решение может быть принято Ростехнадзором по угольной промышленности.
Эта мера представляется на первый взгляд чрезмерной и поэтому может встретить противодействие со стороны угледобывающих акционерных организаций. Однако при более тщательном рассмотрении оказывается, что выигрывают все, в том числе:
- государство в виде увеличения налоговых отчислений при работе высокопроизводительных шахт и исключения непредвиденных затрат на ликвидацию аварий на газоносных шахтах;
- угольные шахты, на которых за счет дегазации, через некоторое время, будет обеспечен высокий уровень безопасности, более высокая производительность и дополнительная прибыль за счет экономически выгодного использования угольного метана и продажи квот на выбросы парникового газа;
- окружающая среда - за счет сокращения выбросов в атмосферу парниковых газов.
Чтобы исключить эффект "шоковой терапии", изложенное мероприятие следует внедрять постепенно, в течение, например, 15 лет (требуется обсуждение, длительность может быть сокращена) в следующей последовательности:
1) в период 2006-2010 г. - подготовка к дегазации, создание соответствующих структур. Ограничений по газоносности нет.
2) В период 2011-2015 гг. - запрет на разработку пластов с газоносностью более 14 нм3/т; скважинная дегазация пластов обязательна.
3) В срок, начиная с 10-го до 15-го года (2016-2020 г.) -запрет на разработку пластов с газоносностью более 12 нм3/т, скважинная дегазация газоносных пластов обязательна.
4) В дальнейшем, после 2021 г. - запрет на разработку пластов с газоносностью более 9 нм3/т, скважинная дегазация пластов обязательна.
Таким образом, при реализации данного мероприятия уже через 15 лет в России будут внедрены безопасные технологии подземной добычи угля, повышена прибыльность угольных шахт за счет повышения производительности и использования угольного метана и, наконец, сокращены выбросы парниковых газов, что отвечает требованиям Киотского протокола.
При таком подходе упрощается механизм государственного влияния. В течение 15-летнего срока продвижения технологий извлечения и использования угольного метана средства государственного бюджета могут направляться для приобретения лучших зарубежных технологий и разработки отечественных технических решений совместно с шахтами, которые в этом случае становятся заинтересованной стороной и привлекают для решения задачи собственные средства.
Выполнение поставленной задачи возможно при широком привлечении научных, проектных и производственных организаций. Сформулируем основные требования, которые следует предъявить к проектам и научно-техническим разработкам по обеспечению метанобезопасности угольных шахт России:
1. Высокая эффективность и надежность технологических решений, обеспечивающих высокий уровень метанобе-зопасности подземной угледобычи.
2. Обеспечение эффективного извлечения кондиционных метано-воздушных смесей.
3. Новые технологии должны обеспечить использование метана угольных пластов и снизить его эмиссию в атмосферу.
4. Научно-технический задел по теме проекта или разработки должен иметь патентную чистоту и защищен патентами, действующими на территории России и стран конкурентов. В результате проведенных исследований и разработок должна быть обеспечена защита созданных объектов интеллектуальной и промышленной собственности.
5. Создаваемые технологии должны быть пригодны для коммерциализации и внедрению в промышленность, пройти промышленные испытания.
6. Создаваемые технологии предпочтительно должны быть основаны на оборудовании отечественного производства. Использование техники импортного производства или отдельных ее компонентов технологической цепочки может считаться целесообразным лишь в случае отсутствия перспективных отечественных аналогов.
7. В ходе выполнения проектов должны создаваться центры коллективного использования, включающий современные научные приборы и обеспечивающий возможность совместной работы как российских так и зарубежных ученых по исследованию проблемы извлечения и использования метана угольных пластов.
8. В рамках выполнения проектов должны быть сформированы международные научно-технические проекты с зарубежными организациями, обеспечивающие ускорение разработки в области обеспечения метанобезопасности , в том числе, в части утилизации метана.
9. Должны быть проведены мероприятия по обеспечению функционирования уникальных научных установок и стендов для проведения перспективных поисковых исследований.
10. Должны быть организованы учебно-научные центры, обеспечивающий интеграцию научной и образовательной деятельности и подготовку кадров для решения задач обеспечения метанобезопасности угольных шахт.
11. В указанный период времени должны быть оценены реальные перспективы и разработаны принципиальные технологические решения и извлечения, использования и утилизации метана угольных пластов и шахтного метана из вентиляционных струй.
12. Разработанные технологии и технические средства на их основе должны быть ориентированы на их применение, как при заблаговременной дегазации угольных месторождений, так и на эксплуатируемых и закрытых шахтах.
|— Коротко об авторах----------------------------------------
Пучков Лев Александрович - чл.-корр. РАН, ректор,
Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических
наук, проректор по научной работе,
Московский государственный горный университет.
