CC BY
35
----------------------------------- © К.Н. Трубецкой, В.В. Гурьянов,
2005
УДК 622.411.33
К.Н. Трубецкой, В.В. Гурьянов
СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОСВОЕНИЮ РЕСУРСОВ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
~П конце XX века метан угленосных отложений привлек
-Я-М внимание как перспективный энергоноситель. Ранее он извлекался только попутно с добычей угля для обеспечения газо-безопасности ведения горных работ и частично использовался в качестве топлива для местных нужд.
Развитие производственного арсенала стран мира и повышение требований к охране окружающей среды выдвинули новые задачи: вовлечение в хозяйственный оборот огромных ресурсов метана угольных месторождений и обеспечение резкого снижения эмиссии метана в атмосферу земли. Основой решения этих задач является разработка способов стимулирования газоотдачи метаноносных угольных пластов.
Год назад Правительство Российской Федерации утвердило Энергетическую стратегию России на период до 2020 года, в которой, в частности, предусматривается:
• разработка и внедрение новых эффективных экологически безопасных технологий использования нетрадиционных (газогидра-ты, метан угольных месторождений и др.) ресурсов углеводородного сырья;
• техническое обеспечение промышленной утилизации шахтного метана;
• разработка новых технологий и оборудования для эффективной дегазации угольных пластов.
Главным итогом работ по освоению ресурсов угольного метана в России в последние годы является коренное изменение отношения
к этой проблеме в научной, промышленной и управленческой сферах.
Прежде всего, необходимо отметить отказ наших оппонентов от утверждения о физической невозможности промышленного извлечения метана из неразгруженных угольных пластов и признание необходимости проведения исследований и разработок по обеспечению его промышленной добычи [1, 2].
Важным результатом также следует считать признание актуальности проблемы промышленного освоения ресурсов угольного метана компанией «Газпром» и ее подключение к решению этой народнохозяйственной задачи. За последние годы ее научными и производственными структурами осуществлен ряд важных мероприятий: развернуты геологоразведочные и исследовательские работы по оценке ресурсов угольного метана в Кузбассе и изучению коллекторских свойств крупнейших метаноугольных месторождений этого региона, разработка программы промышленного освоения этих ресурсов в Кузбассе, обоснование выбора перспективных технологий извлечения метана угольных пластов [3].
Формирование и последующая реализация научно-технических проектов по извлечению угольного метана, выполнявшихся при государственной поддержке, послужило определенным импульсом в развитии исследований и разработок в этой области. Однако многое из намечавшегося в программах работ по этим проектам осталось невыполненным. Главная причина - недостаточные объемы выделения средств на проведение исследований и опытных работ.
В ИПКОН РАН в этот период продолжалась разработка научных основ извлечения метана из угольных пластов. При этом дальнейшее развитие получили исследования по изучению механизма деструкции системы «уголь-метан-вода» и десорбции газа из угольного вещества, а также изменению геомеханического состояния углевмещающей толщи при извлечении флюидов (газ, вода) из угольных пластов и вмещающих их горных пород [4].
Был обоснован ряд новых предложений по совершенствованию способов интенсификации газоотдачи угольных пластов и освоению ресурсов метана высокогазоносных угольных пластов на основе совмещения извлечения метана и выемки угля.
В ИПКОН РАН развиваются представления об угле как трещиновато пористой среде, исходя из фрактальности природной трещиноватости угля и ее роли в механизме деструкции системы «уголь-
метан», десорбции и эмиссии газа, а также о взаимосвязи процессов выхода метана из угольного вещества, изменения его напряженно-деформированного состояния и объемной усадки при извлечении из угольных пластов воды и газа [4, 5].
В частности, угольный пласт представляется средой с иерархической структурой с частично скрытой, частично явной природной нарушенностью (трещиноватостью). Эта среда разбита на блоки или подобного рода структурные элементы (в зависимости от масштаба это могут быть кристаллиты, сорбционные частицы, суперсорбционные частицы и т.п.). Ширина межблочных контактов примерно на два порядка меньше характерного размера структурного блока того же масштаба (ранга).
Природные трещинные контакты имеют определенную прочность, которая зависит от масштаба рассмотрения трещиноватости. Трещины более мелкого структурного уровня имеют более прочный контакт.
При техногенном или природном (например, тектонические подвижки) воздействии на угольный пласт происходит нарушение трещинных контактов соответствующего масштабного уровня. На определенное техногенное воздействие откликается соответствующий масштаб структурной иерархии угля. При этом контакт берегов более крупных трещин может быть нарушен, контакт более мелких трещин сохраняется. Таким образом, разрушение угля на определенном масштабе рассмотрения понимается как «оживление» природных трещинных контактов на этом масштабе. «Оживление» природной трещины понимается как энергозатратный процесс разрыва силовых связей контакта берегов трещины.
Естественное расхождение берегов трещинного контакта при разгрузке угля вызывает значительное увеличение трещинно-порового пространства. Это в наибольшей степени способствует выходу из угольного вещества связанного метана. Образующийся в трещинном пространстве свободный метан является новым стимулирующим фактором трещинообразования.
Наведенная трещиноватость имеет явно выраженную анизотропность, что связано с геомеханическими условиями распределения нагрузки в пласте и ориентацией природных трещин. При сдвиговых нагрузках на пласт формируется более густая и равномерная сеть фильтрационных каналов в сравнении с сетью каналов, кото-
рые образуются в пласте при внедрении в него техногенного флюида.
Чем меньше размер трещин, силовой контакт берегов которых нарушен при техногенном воздействии, тем больше связанного метана выйдет в образовавшееся трещинно-поровое пространство. Поэтому один из главных элементов управления газо-отдачей угольного пласта - возмущение как можно «меньшей» по иерархическому рангу природной трещинной структуры. Ранг «задействованной» трещинной структуры зависит от ориентации трещин, величины природных напряжений, от структуры пласта в целом и вида техногенного воздействия.
Выход свободного и связанного метана из угольного пласта приводит к усадке угольного вещества и угольного пласта в целом. Усадка угольного вещества является фактором, который существенно изменяет напряженное состояние угольного пласта. В принципе в угольном пласте возможен самоподдерживающий-ся циклический процесс перераспределения напряжений, выхода метана из пласта и последующей его усадки, в результате которого область дегазации может непрерывно расти, что нередко наблюдается при натурных экспериментах.
Важнейшей задачей развития указанного направления исследований следует считать определение условий и параметров изменения горного давления в дегазируемом горном массиве для развития вышеназванного самоподдерживающегося циклического процесса деструкции системы «уголь-метан» и эмиссии газа при дегазации угольных пластов.
Сегодня есть основания считать, что горные науки приблизились к установлению природы системы «уголь-метан», процессов десорбции и выделения газа из угольного вещества, что позволяет ставить задачу о разработке теории газоотдачи метаноносных угольных пластов, обосновывающей условия протекания и механизм этого процесса.
Обобщение и анализ методов стимулирования и интенсификации газоотдачи угольных пластов с применением специальных техногенных воздействий на угольный пласт или горный массив свидетельствует о большом их разнообразии и различной эффективности. На сегодняшний день имеются несколько вариантов классификации этих методов. Основной их недостаток - низкая информатив-
ность и отсутствие научно-обосно-ванных критериев для выбора тех или иных способов применительно к конкретным условиям.
В ИПКОН РАН предпринята попытка восполнить этот пробел на основе использования понятия «уровень активации системы «уголь-метан», характеризуемого величиной дополнительной энергии, необходимой для разрушения этой системы и обеспечения десорбции метана из угольного вещества. При этом под активацией системы «уголь-метан» понимается приведение этой системы в состояние, при котором начинается десорбция газа, его активное влияние на создание «наведенной» микротрещиноватости в угольном веществе, обеспечивающей интенсификацию десорбции и выделения метана, «оживление» природной трещиноватости угля и миграцию имевшегося и выделяющегося свободного газа по пласту угля к дегазационной (добычной) скважине.
Выполненные нами исследования позволили выявить семь групп факторов, оказывающих наибольше влияние на активацию системы «уголь-метан» и газоотдачу угольных пластов.
Вышеизложенные посылки позволили обосновать новый принцип решения задачи максимального извлечения окклюдированного в угле метана: «от простого к сложному». Выбирать и осуществлять мероприятия по извлечению газа из метаноугольных месторождений рекомендуется в следующем порядке. Первоначально следует проводить мероприятия по повышению газопроницаемости пласта и извлечению воды и свободного газа, находящихся в трещинах и макропорах угольного вещества. При этом будут создаваться условия для десорбции адсорбированного метана. Затем следует осуществлять техногенные воздействия, направленные на обеспечение десорбции и извлечение абсорбированного метана.
Несмотря на большое разнообразие имеющихся и разрабатываемых способов интенсификации газоотдачи угольных пластов, задача ее стимулирования по-прежнему остается весьма актуальной. Это объясняется многообразием характеристик, свойств и условий залегания угольных пластов, существенно влияющих на процесс извлечения метана и его результативность, а также техникотехнологическими особенностями применяемых способов интенсификации газоотдачи пластов, определяющих их эффективность, стоимость и трудоемкость выполняемых работ. Сдерживающим фактором в успешном решении данной задачи является отсутствие
научно-обоснованной методики выбора перспективных способов стимулирования газоотдачи пластов и определения их параметров.
Важнейшим принципом указанной методики должно являться обеспечение соответствия механизма действия применяемого (разрабатываемого) способа интенсификации газоотдачи угольного пласта и его параметров природным характеристикам, свойствам и другим условиям дегазации этого пласта как объекта техногенного воздействия.
Рассмотрение известных способов техногенного воздействия на угольный пласт или углевмещающую толщу для интенсификации их газоотдачи позволяет разделить эти способы на три группы в зависимости от основной намечаемой цели:
• повышение газопроницаемости пласта (например, гидроразрыв пласта);
• расширение зоны дренирования газа (например, виброволно-вое воздействие);
• увеличение темпов десорбции метана из угля (например, нагнетание углекислого газа).
Известно, что различные методы интенсификации газоотдачи пластов могут иметь разное количество факторов воздействия. Все это необходимо учитывать как при разработке методики выбора способов интенсификации газоотдачи угольных пластов, так и при разработке (совершенствовании) этих способов и их применении.
Анализ результатов исследований геомеханических процессов при разработке угольных и газовых месторождений и их практического использования, а также выполненные нами исследования изменения геомеханического состояния газонасыщенного горного массива при извлечении из него флюидов позволили предложить новые технические решения по повышению газопроницаемости угольных пластов [5, 7].
Сущность повышения газопроницаемости угольных пластов на основе управления геомеханическим состоянием газоносного горного массива при извлечении из него флюидов заключается в создании условий для целенаправленного изменения действующих в этих пластах напряжений, что может осуществляться за счет обеспечения соответствующей разгрузки-приг-рузки дегазируемых угольных пластов:
• при предварительном осушении угольного пласта и (или) водоносных горных пород углевмещающей толщи;
• за счет использования эффекта «подработки-надработки» дегазируемых смежных угольных пластов;
• на основе применения соответствующего порядка дегазации угольных пластов (восходящего, нисходящего и комбинированного) рассматриваемого метаноугольного месторождения;
• при комплексном использовании геомеханических факторов и других видов техногенных воздействий.
Более детально этот вопрос будет рассмотрен во 2-ом нашем докладе.
Развитие научных исследований по вышеназванным направлениям, их взаимоувязка с имеющимися результатами в данной области позволит разработать научные основы заблаговременной дегазации угольных пластов и промышленной добычи газа из метаноугольных месторождений, базирующихся на установлении условий и закономерностях десорбции и выделении газа из угля, а также его фильтрации к дегазационным (добычным) скважинам с учетом многообразия горногелогических характеристик и условий залегания угольных пластов.
В 40-е годы XX века академиком А.А. Скочинским и проф. Г.Д. Лидиным была выдвинута идея «комплексной разработки угольных пластов с высокой метаноносностью с предварительной дегазацией угленосных толщ и утилизацией метана».
В ИПКОН РАН развиваются научные основы реализации этой крупной проблемы. Наиболее рациональным направлением ее решения является создание комплексных горных предприятий по совместной добыче угля и заключенного в нем метана [8].
Важнейшей технологической задачей для указанных комплексных предприятий является заблаговременное извлечение метана из намечаемых к разработке угольных пластов с применением эффективных способов интенсификации их газоотдачи, адаптированных к конкретным горно-геологи-ческим условиям.
Особенностью эксплуатации таких предприятий является ее многостадийный характер. При этом следует выделить три основных стадии развития горных работ в границах горного отвода такого комплексного предприятия:
• заблаговременная дегазация скважинами с поверхности участков шахтного поля, предназначенных для первоочередной их отработки по добыче угля, и промышленная добыча угольного метана на других участках горного отвода предприятия;
• добыча угля на предварительно дегазированных участках шахтного поля, заблаговременная дегазация и промышленная добыча угольного метана на смежных участках;
• извлечение ресурсов метана, оставшихся в углевмещающей толще после прекращения добычи угля.
В процессе эксплуатации комплексного горного предприятия может иметь место определенное совмещение указанных стадий разработки месторождения, что предопределяет необходимость обеспечения их рациональной увязки во времени и пространстве.
Очевидно, что содержание указанных стадий развития горных работ будет определяться горногеологическими условиями разрабатываемого месторождения и параметрами предприятия.
Оптимальное решение вопросов планирования развития горных работ по выемке угля и извлечению метана на рассматриваемом предприятии определяется комплексом задач геомеханическо-го обеспечения строительства, эксплуатации и ликвидации такого предприятия.
Как уже отмечалось, при извлечении флюидов из неразгруженной горными работами углевмещающей толщи происходит разуплотнение горного массива и образование зон разгрузки-пригрузки горных пород. Таким образом, при ведении горных работ на комплексном предприятии возможно совмещение влияния зон разгрузки-пригрузки горных пород от работ по извлечению метана и добычи угля, усиливая или уменьшая позитивные и негативные последствия этого влияния на состояние горных выработок, дегазационных и газодобычных скважин, степень дегазации пластов и объемы извлекаемого метана. Установление характера последствий совмещения влияния подработки угольных пластов и вмещающих их пород при извлечении метана и добыче угля необходимо рассматривать как базу планирования стадийности развития горных работ на комплексном предприятии и разработки рациональных методов управления геомеханическим состоянием горного массива.
Взаимное влияние производственных процессов извлечения метана и добычи угля при эксплуатации двухпродуктового гор-
ного предприятия, обеспечение снижения газообильности горных выработок за счет осуществления заблаговременной дегазации пластов предопределяет изменение требований к конструированию многих подсистем этого предприятия.
Создание угольных предприятий будущего, к которым, несомненно, следует отнести и комплексные предприятия по подземной разработке метаноугольных месторождений при совместной добыче угля и метана, предполагает многократное повышение производительности труда, существенное снижение издержек производства, коренное улучшение технической безопасности и охраны окружающей среды.
В угольной промышленности нашей страны накоплен значительный опыт решения такого рода задач. Сюда, прежде всего, следует отнести разработку метода технологического моделирования угольных шахт и опыт его применения при проектировании шахт нового технического уровня. Их использование позволит разработать методику технологического моделирования двухпродуктовых горных предприятий и методов календарного планирования во времени и пространстве работ по извлечению метана и добыче угля на таком предприятии.
При решении вопроса о создании предприятия по совместной добыче угля и метана необходимо предварительно выполнить комплекс научных исследований и проектных разработок применительно к горногеологическим условиям выбранного угольного месторождения. К ним следует отнести:
• лабораторные и натурные исследования природной газопроницаемости угольных пластов, а также изменения их напряженно-деформированного состояния при извлечении флюидов;
• обоснование, выбор и опытные испытания рациональных способов интенсификации газоотдачи угольных пластов;
• разработка методов управления геомеханическим состоянием горного массива при совместной добыче угля и метана;
• обоснование технологической модели комплексного предприятия;
• разработка технико-экономического обоснования (проекта строительства) комплексного предприятия по совместной добыче угля и метана.
Прообразом такого комплексного предприятия можно считать шахту им. А.Ф.Засядько, расположенную в г. Донецке (Украина) [9]. На этой шахте разработана и в течение 3 -х лет последовательно реализуется комплексная программа дегазации и утилизации метана. Предварительно специалистами шахты были изучены особенности строения угленосной толщи месторождения, что позволило определить оптимальные параметры подземной дегазации, координаты мест заложения, длину и диаметр дегазационных скважин, бурящихся как под землей, так и с поверхности. Расчеты показали, что для обеспечения безопасного ведения горных работ при годовой добыче 4,5-5 млн т угля в процессе комплексной дегазации необходимо извлекать не менее 250-300 млн м3 метана. При этом длина подземных дегазационных скважин должна достигать 300 м при диаметре 150 мм, а скважин, бурящихся с поверхности, до 3 км при конечном диаметре 200 м.
Скважины, пробуренные с поверхности, позволяют получать газ с содержанием метана 90-95 %, подземные скважины - более 25-60 %, в т.ч. из выработанного пространства - до 30 %. В настоящее время каптируемый газ используется на нужды шахты, а также для заправки автомобилей (от 45 до 110 машин в сутки). В перспективе намечено расширить газонаполнительное хозяйство, а также обеспечить шахту собственной электроэнергией, для чего запланировано в ближайшие годы приобрести 22 генератора с газопоршневыми двигателями, которые могут использовать метановоздушные смеси при концентрации метана в 25 %.
Значительная часть извлекаемой из выработанного пространства шахты МВС содержит менее 30 % метана, поэтому на шахте предусматривается соорудить специальную установку, позволяющую извлекать из МВС 99 % метана, который будет подаваться в городскую сеть природного газа для бытовых и производственных нужд.
Реализация намеченных мероприятий позволит извлекать с 2005 года около 250 млн м3 газа (при 145, 5 млн м3 в 2003 году).
Особо следует остановиться на освоении ресурсов угольного метана, заключенных в специфических коллекторах угольных месторождений [10]. Этот вопрос приобретает особую актуальность в связи с необходимостью оптимизации энергетической политики в
ряде регионов нашей страны, направленной на использование местных топливно-энергетических ресурсов.
Проведенные исследования показали, что указанные коллектора встречаются в Восточном Донбассе, Кузбассе и ряде других бассейнов. В частности, к таким коллекторам следует отнести флюидоактивные метанообильные зоны в углевмещающей толще, характеризующиеся повышенной метаноносностью, трещиноватостью, газопроницаемостью и способностью к газоотдаче, в 3-5 раз превышающие типичные коллектора [11, 12].
При проведении геологических и геотехнологических исследований на Краснодонецком полигоне (Восточный Донбасс) выявлены неструктурные углегазовые коллектора на глубинах 120-160 м, 190-210 м и 310-370 м с повышенной газоносностью углей (от 30 до 44 м3/т) и вмещающих пород (от 8,8 до 19,5 м3/т).
При проведении натурных экспериментов на указанном участке (скважина ГГД-4) с применением депрессионных, бароградиентных и гидроимпульсных методов интенсификации газоотдачи получены притоки газа с дебитом от 1500 до 7800 м3/сутки и содержанием углеводородных газов до 94-96 %. При комбинированном применении указанных методов интенсификации газовыделения были отмечены фонтанирующие выбросы углеметановой смеси с интенсивностью до 25 тыс. м3/сутки. Диаметр вышеназванной экспериментальной скважины составлял 75 мм. Проведенные расчеты показали, что суммарные ресурсы угольного метана в зонах флюидизации только Краснодонецкого месторождения составляют около 640 млн
3
м .
Изложенное свидетельствует о необходимости и целесообразности проведения углубленных геотехнологических исследований и натурных опытно-экспериментальных работ на метаноугольных месторождениях, а также их перспективности.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. - М.: Изд-во МГГУ, 1996, 23 с.
2.Пучков Л.А., Сластунов С.В., Презент Г.М. Перспективы промышленного извлечения угольного метана. Г орный информационно-аналитический бюллетень, - М.: Изд-во МГГУ. №6, 2002, с.6-10.
3.Золотых С.С., Карасевич А.М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейн». - М., изд-во «ИСПИН», 2002. - 570.
4.Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Основные итоги реализации проекта «Угле-метан» и направления развития научных исследований в России по обеспечению
освоения ресурсов метана неразгруженных угольных пласто». Горный информационно-аналитический бюллетень, - М.: Изд-во МГГУ. №6, 2002, с. 11-15.
5.Гурьянов В.В., Иофис М.А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами в горном массиве. Горный информационно-аналитический бюллетень, -М.: Изд-во МГГУ. №7, 2000, с.146-149.
6. Одинцев В.Н. Образование фильтрационного пространства в газонасыщенных угольных пластах при десорбции метана. Горный информационноаналитический бюллетень, - М.: Изд-во МГГУ. № 5 , 2001, с. 96-98.
7.Гурьянов В.В., Трофимов В.А., Шик В.М. Результаты моделирования геоме-ханических процессов в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов. Горный информационно-аналитический бюллетень, - М.: Изд-во МГГУ. №6, 2002, с. 62-66.
8.Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Повышение эффективности подземной разработки высокогазоносных угольных месторождений на основе организации совместной добычи угля и метана. Уголь, 2003, №9, с.3-6.
9.Звягильский Е.А., Бокий Б.В. Утилизация шахтного метана - путь решения проблемы выбросов метана в атмосферу. Сб. научных докладов, ч.1, УкрНИМИ НАН Украины, Донецк, 2004, с. 220-228.
10. Гурьянов В.В. О разработке моделей коллекторов метана газонасыщенных углевмещающих толщ». Горный информационно-аналитический бюллетень, -М.: Изд-во МГГУ. №9, 2004, с.135-141.
11. Гамов М.И. Закономерности формирования метанообильных зон угольных месторождений Восточного Донбасса. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Ростов-на-Дону, 2004, 48 с.
12. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Грановская Н.В., Рылов В.Г., Майский Ю.Г. Закономерности формирования и генетические типы природных метанообильных зон в метаноугольных месторождениях». Горный информационно-аналитический бюллетень, - М.: Изд-во МГГУ. №9, 2004, с. 142-148.
— Коротко об авторах -----------------------------
Трубецкой К.Н. - академик РАН, директор,
Гурьянов В.В. - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения РАН.
