CC BY
28
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ ‘НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97”
МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97
СЕМИНАР 1 " ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Ю.Н.Малышев, чл.-корр. РАН ОАО "Росугаль"
К.Н.Трубецкой, акад. РАН В.В.Гурьянов, проф., д.т.н.
Н.Г.Матвиенко, проф., д.т.н.
А.В.Стариков, проф., д.т.н.
Б.М.Зимаков к.г.-м.н.
Институт проблем комплексного освоения недр РАН
СОСТОЯНИЕ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Недра угольных месторождений содержат в себе, помимо угля, широкую гамму сопутствующих георесурсов, попутных полезных ископаемых и компонентов. При добыче угля из недр извлекаются вскрышные и вмещающие породы, откачиваются шахтные и дренажные воды, вентиляционной струей выносятся на поверхность метан угольных пластов и низкопотенциальное тепло недр.
В ископаемых углях освоенных месторождений и бассейнов России в рассеянном и вкрапленном виде содержатся некоторые цветные и редкие металлы, ценные элементы, в том числе в промышленно значимых концентрациях. Часть из них относится к токсичным.
Все эти ресурсы угольных месторождений обладают в той или иной мере потребительской ценностью, но считаются отходами производства, утилизируются в ограниченных масштабах и в силу своих природных свойств при выдаче на поверхность загрязняют окружающую среду.
Идея комплексного освоения недр весьма плодотворна и воспринята широкой горной общественностью России. Но
в практике горнодобывающих отраслей нашей страны и в том числе в угольной промышленности она до сих пор не получила должной реализации.
До последнего времени создание технологий и проектирование предприятий по разработке угольных месторождений ориентировались преимущественно на добычу угля и предотвращение вредных последствий, возникающих при ведении горных работ, с последующим изысканием возможностей утилизации отходов производства. Современная идеология освоения минеральносырьевых и энергетических ресурсов угольных месторождений и создания горных предприятий должна предусматривать наряду с добычей угля, при экономически оправданной полноте освоения запасов, рациональное комплексное извлечение и использование сопутствующих углю полезных ископаемых и компонентов и вновь создаваемых ресурсов, в том числе выработанного пространства и низкопотенциального тепла недр. Критерием комплексности освоения ресурсов недр, т.е. номенклатуры и количества используемых ресурсов, должна быть рентабельность производства при его
технической и экологической безопасности.
К наиболее значимым ресурсам угольных месторождений относится метан, представляющий собой ценное и экологически чистое топливо. Но одновременно метан является источником повышенной опасности при подземной добыче угля.
Издревле метан является злейшим врагом шахтеров. И поныне проблема борьбы с метаном остается актуальнейшей задачей науки и практики. Техникоэкономические показатели газовых шахт на 35-50 % ниже, чем негазовых в аналогичных горно-геологических условиях. Доля затрат на управление газовыделе-нием (вентиляция и дегазация) в себестоимости добычи угля подземным способом достигает 25%.
Особую опасность представляют взрывы метана. Несмотря на многолетнюю разработку проблемы борьбы с метаном, создание и освоение большого числа профилактических мероприятий по предупреждению этих тяжелых аварий, число их сокращается очень медленно. При резком уменьшении объемов подземной угледобычи в России за 1991-1995 гг. (в 1,7 раза) и выводе из эксплуатации более 35 шахт с устаревшей технологией число взрывов газа в угольных шахтах составило: 1991 - 15 случаев; 1992 - 22; 1993- 22; 1994- 13; 1995- 15 [1].
Решение проблемы борьбы с негативными факторами выделения метана в шахтах является одним из важнейших мероприятий в деле повышения рентабельности угольной промышленности, создания безопасных и комфортных условий труда в шахтах, оздоровления экологической обстановки в угледобывающих регионах странах.
Перспективным направлением решения этой проблемы является разработка и освоение на практике эффективных способов извлечения метана из углевмещающей толщи, горных выработок, выработанного пространства и исходящей
вентиляционной струи шахт. Наиболее разработанными и широко применяемыми на практике способами извлечения метана являются разнообразные методы дегазации шахт (как подземной, так и с помощью скважин, пробуриваемых с поверхности земли).
Дегазация угольных шахт применяется в 18 странах мира. Через дегазационную сеть в мире ежегодно отводится около 4,6 млрд. куб.м каптированного метана, в том числе 30-33 % в странах СНГ. Следует отметить, что объем извлекаемого газа в странах бывшего СССР изменился незначительно. В 1980 было извлечено 1,63 млрд. м3; 1985 - 1,735 млрд. м3; 1990 - 1,847 млрд. м3; 1994 - 1,8 млрд. м3 [1].
В СНГ каптированный шахтный газ используется пока только для отопления шахтных котельных и сушильных установок на углеобогатительных фабриках. При этом к использованию допускается газ с содержанием метана не менее 30 % для обеспечения взрывобезопасности.
Во многих угледобывающих странах Европы в технологии дегазации сочетаются функции и борьбы с газопроявлениями, и добычи метана. Вследствие этого уровень утилизации метана, каптируемого при дегазации разрабатываемых пластов и выработанного пространства, достигает 50% и более. Так, в Германии при эффективности дегазации 44-52% объем утилизированного метана составляет 68% от общего объема газа, выданного на поверхность, в Сааре - 81%. На шахтах Польши и Чехии этот показатель достигает 88-91%.
Утилизация каптируемого на шахтах газа связана с определенными трудностями, основными из которых являются:
• резкие изменения в течении коротких промежутков времени состава газа (содержания горючих компонентов), а следовательно и теплоты его сгорания из-за сложности управления технологией
его добычи в зоне влияния горных работ;
• повышенные содержания кислорода, углекислого газа и влаги;
• сравнительно небольшие дебиты газа и небольшие сроки действия дегазационной скважины.
В ряде стран накоплен опыт управления процессами шахтной дегазации и использования каптированного газа. Каптируемый шахтный газ, в зависимости от концентрации метана, используется в качестве:
• топлива для отопления административных, промышленных и жилых зданий,
• топлива для выработки электроэнергии в основном для нужд шахт;
• моторного топлива для передвижных и стационарных карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания;
• сырья для химической промышленности при выработке сажи, пластмасс, метанола, белковой массы;
• теплоносителя на металлургических, стекольных, коксохимических, цементных и керамических заводах для подогрева печей, блюмов, заготовок.
При проветривании горных выработок в атмосферу выбрасывается большое количество отработанного воздуха с содержанием метана до 1%, что ставит на повестку дня задачу улавливания и использования и этого энергоносителя.
С позиций ресурсосбережения и комплексного освоения ресурсов недр весьма интересной и, в определенных условиях, эффективной может оказаться задача извлечения и использования углеводородных газов, скапливающихся в горных выработках и выработанном пространстве отработанных и закрытых шахт.
В последние 30 лет интенсивно развиваются методы заблаговременной дегазации угольных месторождений, позволяющие существенно уменьшить при-
родную газоносность угольных пластов до начала их отработки.
Количество метана, содержащегося в угленосных толщах соизмеримо с запасами природного газа в традиционных газовых месторождениях и измеряется десятками триллионов кубических метров. Россия располагает богатейшими ресурсами угольного метана.
Отличительной особенностью углегазовых месторождений нашей страны является наличие значительного количества уникальных районов и участков с высокой концентрацией (плотностью) ресурсов метана в угольных пластах. Особенно богат такими месторождениями Кузбасс.
Отечественные ученые в 60-70 гг. впервые в мире обосновали целесообразность и разработали научные основы заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных пластов. Практическая реализация этих идей осуществлена в США, где в 80-х годах были развернуты масштабные геологические и технологические исследования и разработки по добыче метана из угольных месторождений. За последние годы США достигли больших успехов в деле промышленного освоения ресурсов угольного метана, добыв в 1995 году более 27 млрд.м3 этого вида топлива [2].
Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается не только опытом США, но и обнадеживающими результатами начала работ в этой области в Австралии, Китае, Индии и Новой-Зеландии.
Энергетической стратегией Российской Федерации предусматривается вовлечение в топливно-энергетический баланс страны к 2010 году около 17 млн. т.у.т. нетрадиционных энергоносителей, одним из важнейших среди них является метан угольных месторождений.
Проблема освоения огромных ресурсов угольного метана в нашей стране
зависит от решения ряда крупных научно-технических проблем. Среди них прежде всего следует выделить следующие:
• геологическое изучение и исследование сырьевой базы промышленной добычи метана из угольных месторождений России;
• разработка научных основ интенсификации извлечения метана из угольных пластов;
• разработка и освоение в опытно-промышленных условиях перспективных технологий и оборудования для извлечения метана, его очистки и облагораживания;
• разработка новых эффективных способов использования угольного метана в энергетике, на транспорте, в химической и других отраслях промышленности.
Комплексное изучение газоносности угольных месторождений должно проводиться не только ради получения исходных данных для обеспечения газобезопасной добычи угля, как это было ранее, но и для оценки перспектив освоения газоносных угольных месторождений как объектов промысловой добычей метана. Для этого необходимо определение параметров газоносности угольных пластов, запасов метана, сорбционных, газокинетических и термодинамических свойств углей, фильтрационных и газодинамических характеристик пластов.
Способы промышленного извлечения метана из угольных пластов существенно отличаются от добычи природного газа - метан в угольных месторождениях в основном (свыше 90%) содержится в угле в тесной физико-химической связи с преобладанием твердого углегазового раствора, выделение метана из которого происходит только при изменении напряженно-деформированного состояния и фильтрационных свойств горного массива. Генетическая и сорбцион-
ная связь метана с угольными пластами, характеризующимися, как правило, низкой проницаемостью и замедленной га-зоотдачей, вызывает необходимость разработки специальных технологий повышения газопроницаемости пластов и интенсификации их газоотдачи.
По вышеназванным вопросам в нашей стране создан определенный научнотехнический задел, но многие задачи еще ждут своих исследователей и разработчиков.
Специфической особенностью проблемы извлечения метана из угольных месторождений и его практического использования, независимо от применяемых способов добычи газа является тесная взаимосвязь геологических, технологических, экологических, экономических и социально-правовых аспектов решения этой задачи. Указанное положение подтверждается рекомендациями ЕЭК ООН и опытом США [3, 4].
С учетом данного обстоятельства Академией горных наук и формировался научно-технический проект "Углеметан", ставший в 1996 г. победителем конкурса, проводившегося бывшим Миннауки Росси (ныне ГКНТ России).
Целью научно-технического проекта "Углеметан" является разработка и освоение в опытно-промышленных условиях технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из высокогазоносных угольных месторождений с применением специальных методов воздействия на горный массив. При этом предусматривается, что применение этих технологий будет осуществляться на месторождениях или их участках, не подверженных влиянию горных работ.
Как уже отмечалось, наиболее разработанными и освоенными способами извлечения метана является дегазация угольных пластов, осуществляемая одновременно с добычей угля. Вместе с тем, практика свидетельствует о необходимости совершенствования этих способов дегазации и повышения их эффектив-
ности в различных горно-геологи-ческих условиях.
Своеобразное промежуточное положение между заблаговременной дегазацией угольных месторождений и традиционной дегазацией шахт занимает предложение о перепрофилировании весьма газообильных шахт в предприятия по добыче метана с попутным частичным извлечением угля [5]. Видимо имеет право на существование и задача разработки научных основ создания новых предприятий, базирующихся на идее извлечения метана подземным способом с попутной добычей угля.
Вышеизложенное позволяет поддержать мысль, высказанную Г.И.Грицко о том, что отработанность и эффективность технологий добычи метана внесут существенные изменения в методики экономической и технологической оценки месторождений и проектирования шахт в связи с тем, что издержки на борьбу с метаном трансформируются в прибыль от его добычи и использования. Причем изменения эти могут быть принципиальными за счет реализации новых подходов к проектам создания метанодобывающих предприятий, базирующихся на новейших технологиях и методах извлечения метана. [6]
Краткий анализ современного состояния и направлений решения проблемы извлечения и использования метана угольных месторождений свидетельствует о настоятельной необходимости глубокого научного обобщения и анализа имеющихся идей и технологических решений в этой области, а также осуществления координации проводимых исследований и разработок. Решение этой задачи можно было бы осуществлить, на-
пример, на основе реализации предложений, выдвигавшихся МГГУ, ИГД им. А.А.Скочинского и рядом других научных организаций по формированию комплексной научно-технической программы, направленной на разработку перспективных проектов по извлечению и использованию метана угольных месторождений. Возглавить эту работу могли бы АГН или РАЕН.
Богатейшая сырьевая база угольного метана в России, наличие научнотехнического задела по извлечению метана из угольных месторождений, начатая на федеральном уровне разработка промышленных технологий и оборудования по добыче и использованию этого нового высокоэффективного энергоресурса, создание соответствующих инвестиционнопроизводственных структур позволяют говорить о зарождении в России новой отрасли промышленности - Углегазпро-ма.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ю.Н.Малышев, А.Т.Айруни, И.В.Зверев. Высокопроизводительные технологии добычи и дегазации газоносных угольных пластов. / Горный вестник. - 1996 - №3. - с. 11-18.
2. S.H.Stevens, V.A.Kuuskraa, R.A. Schraufnagel "Technology spurs growth of U.S. coalbed methane". Oil and gas journal, 1, 1996, p. 56-63.
3. Итоги рабочего совещания по вопросу извлечения метана, содержащегося в угольных пластах. Уголь, 1994, № 7, стр. 42-43.
4. V.A.Kuuskraa, S.H.Stevens "How unconvenntional gas prospers without tax mdentives" Oil and gas , 11, 1995, p. 76-81.
5. В.Н.Пузырев "Добыча метана - путь повышения рентабельности и безопасности угольных шахт Кузбасса". Уголь, 1992, № 1, стр. 32-35.
6. Г.И.Грицко "Проблемы добычи метана из угольных пластов и шахт. Препринт метанового проекта, 1995., № 3, стр. 1-2.
© Авторов
