CC BY
12
--© В.А. Капитанов, Г.Г. Матвиенко,
Ю.Н. Пономарев, О.В. Тайлаков, Е.Л. Счастливцев, М.П. Макеев, Д.О. Тайлаков, 2008
УДК 622.692.4
В.А. Капитанов, Г.Г. Матвиенко, Ю.Н. Пономарев, О.В. Тайлаков, Е.Л. Счастливцев, М.П. Макеев, Д. О. Тайлаков
ТЕХНОЛОГИИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА В МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДА Ч МОНИТОРИНГА С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ КИОТСКОГО ПРОТОКОЛА
"П условиях активного техногенного воздействия на массив -Я-М горных пород при извлечении угля наблюдаются интенсивные выделения метана. Основными источниками эмиссии метана при угледобыче являются угольные шахты и разрезы [1]. Часть этого газа выводится на поверхность через дегазационные скважины или вентиляционные системы угольных шахт при добыче угля подземным способом либо высвобождается через обнаженные поверхности угольных пластов при их вскрытии при добыче угля открытым способом. Другая часть метана мигрирует в направлении поверхности через существующую систему пор и макротрещин во вмещающих породах. При прекращении добычи угля на этих объектах продолжается эмиссия метана, которая незначительно превышает фоновую концентрацию метана. Уточненные оценки эмиссии метана и контроль выходов его на поверхность имеют существенное значение для последующего обобщенного анализа выбросов парниковых газов из антропогенных источников, а также обеспечения безопасных условий функционирования промышленных объектов, расположенных на территории горных отводов действующих и закрываемых угольных шахт. Однако, до настоящего времени, механизмы проникновения метана на поверхность вне дегазационных и вентиляционных систем угольных шахт, а также процессы, протекающие в приземных слоях атмосферы вблизи мощных антропогенных источников выбросов метана, к которым относятся действующие дегазационные скважины и вентиляцион-
158
ные стволы угольных шахт, а также вскрытые угольные пласты на угольных разрезах, остаются слабоизученными, отчасти, ввиду отсутствия методологии количественных полевых измерений слабых потоков этих газов в условиях угольных бассейнов. Таким образом, изучение изменений приземных концентраций метана в условиях углегазовых месторождений на основе применения современных методов и средств автоматизированного высокоточного контроля содержания этих газов в атмосфере представляется актуальным.
Для измерения антропогенной эмиссии СН4 в атмосферу на территориях разработки и эксплуатации углегазовых месторождений весьма эффективно применение современных методов и средств автоматизированного высокоточного контроля содержания этого газа в атмосфере. Наиболее заметные результаты в разработке метанометров, обладающих высокой чувствительностью, быстродействием и селективностью, связаны с развитием методов и техники диодной лазерной спектроскопии и газоанализа. В настоящее время диодные лазеры ближнего ИК диапазона (1-2 мкм) работают при комнатной температуре с выходной мощностью в одномодовом (одночастотном) режиме до 10-15 мВт. Это дает возможность построения лазерных абсорбционных метанометров двух типов c многоходовыми абсорбционными Бугеровскими кюветами или оптико-акустическими дифференциальными детекторами резонансного типа.
Одна из наиболее функциональных конструкций метанометра первого типа разработана в ИОФ РАН [2] и модифицирована в Институте оптики атмосферы СО РАН для измерения потоков метана через водную поверхность или почву в атмосферу [3]. Основными элементами проточного газоанализатора являются:
• многоходовая кювета;
• оптический блок, включающий диодный лазер и коллиматор;
• калибровочная ячейка с метаном;
• насос для прокачки тестируемого воздуха через многоходовую кювету;
• система ввода данных в компьютер;
• программно-аналитическое обеспечение мониторинга эмиссии метана.
В качестве излучателя в этих метанометрах используется GaInAs диодный лазер. Частота излучения лазера перестраивается
159
при изменении тока и температуры в спектральном диапазоне 6000-6080 см"1 (1,645-1,666 мкм), где имеется несколько линий поглощения метана. Лазерный кристалл располагается на поверхности элемента Пельтье и грубая настройка на нужную линию поглощения производится заданием определенной температуры активного элемента. Плавная перестройка частоты в диапазоне ~ 1 см-1 регулируется импульсами тока питания трапецеидальной формы. За время одного импульса регистрируется спектр пропускания анализируемой пробы воздуха в измерительной многоходовой кювете и чистого метана при определенной концентрации, находящегося в реперной кювете. Определение концентрации метана основано на вычислении корреляционной функции формы сигналов в аналитической и реперной кюветах. В метанометре [3] использовалась многоходовая кювета с матричной зеркальной системой Чер-нина длиной 0,75 м и максимальной длиной оптического хода 157,5 м при коэффициенте отражения зеркал 0,998. Определение нулевого уровня сигнала в аналитической кювете проводилось путем продувки через нее спектрально-чистого азота. Непрерывная прокачка анализируемого воздуха через аналитическую кювету объемом 14 литров производится мембранным насосом со скоростью прокачки 0,2 л/с. Пороговая чувствительность метанометра составляет 0,030,04 ррт при уровне шума 30 ррЬ. Система может устанавливаться стационарно либо на автомобиле для измерения пространственных изменений концентраций метана в непрерывном режиме и реальном масштабе времени.
Во втором типе лазерного метанометра используется тот же диодный лазер (1,65 мкм) с дифференциальным резонансным фо-тоаккустическим детектором Гемгольца [2]. Впервые этот тип метанометра был описан в [3]. В табл. 1 приведены технические характеристики лазерного метанометра.
Лазерный метанометр, разработанный в Институте оптики атмосферы СО РАН (рис. 1), использовался для измерения приземных концентраций метана на горном отводе шахты «Северная», расположенной в северо-восточной части Кузнецкого угольного бассейна в России и закрытой методом затопления горных выработок, с целью определения возможных мест выхода Таблица 1
Спецификация лазерного метанометра
№
Параметр
Значение
160
1. Плавная перестройка частоты вблизи 1,65 мкм ~ 1 см-1
2. Спектральная чувствительность ~ 0,005 см-1
3. Предельная чувствительность при мощности лазера ~ 2,5 10-6 см-1
0,007 Вт
Таблица 2
Источники эмиссии метана, в которых проводились измерения
Время Условия измерений
7:20-7:52 Развертывание аппаратуры, настройка
7:52-7:56 Измерения на источнике 1
7:56-8:03 Продувка измерительной камеры азотом (калибровка нуля)
8:03-8:06 Продувка измерительной камеры воздухом (постоянная времени смены пробы 4 мин.)
8:07-8:12 Измерения на источнике 2
8:12-8:21 Измерения в источнике 3
8:26-8:32 Измерения в источнике 4
8:32-8:41 Измерения в источнике 5
8:41-8:59 Измерения в источнике 6
9:01-9:15 Измерения в источниках 7 и 8
9:15-9:50 Демонтаж аппаратуры
газа на поверхность в зоне жилой застройки. В результате проведенных измерений установлено, что (рис. 2):
1. Приземная концентрация метана в местах отбора проб воздуха (источники 1-3) соответствует фоновой концентрации, типичной для Западной Сибири - 1,8 - 2,0 ррт.
2. Концентрация метана в источнике 4 незначительно превысила фоновую и на мо-
Рис. 1. Фотография метанометра мент измерений составила 3 ррт.
161
CH4(ppm)
1 1 1 1 Ifcf. э 1 > ! 1 j Я ст. ! ) ИС1 / al
1 И Ио Г. Î 1 \ t si î:nu
Л. nil ист Л \ 1 i 1 1 il
к \ failli ■j ы h х fe
I ft 4 ff \ L |tf Si I
/ В/ и.| ИСТ. 71
i jf . M / 1er. ■ 1 B'TZ, 1 Ист. ■I
У
■fi' 1--Г" -—. -1- —1 П pou^B ö и î ап э змт <:>■ 1--1- -Г" -1— -1-
t?:H tr T WS н:№ Vitt 10 4 т.Ч loa DTTi haï :iu 11 «« out ия »m 11 u jaiu ^pi-a oit 0' м
Время,ч мим
Рис. 2. Результаты измерений приземных концентрация метана на горном отводе шахты «Северная»
Усредненные значения концентрации метана в районе измерений составили 1,935 ± 0,16 ppm и 1,242 ± 0,102 мкг/м3 с относительной ошибкой измерений - 8 %.
Применение разработанного метанометра позволило обеспечить измерения приземных концентраций метана на горном отводе закрытой угольной шахты в реальном режиме времени. В дальнейшем эта методика и аппаратное обеспечение позволят исследовать основные закономерности выделения важнейшего парникового газа в региональном масштабе и уточнить вклад углегазовых месторождений в его планетарный баланс, что имеет существенное значение для оценки эмиссии метана при угледобыче и последующей деятельности при подготовке национальных сообщений о выбросах парниковых газов в РФ в рамках Киотского протокола. При этом будут развиты и уточнены модельные представления о генетике и объемах эмиссий СН4, разработаны полуэмпирические модели типовых источников эмиссий для стандартных площадей, а
162
также методики включения массивов экспериментальных данных в прогностические модели регионального масштаба.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тайлаков О.В., Багаев Д.В., Исламов Д.В., Санковский А.Г. Перспективы развития попутного извлечения и использования шахтного метана в Кузнецком угольном бассейне//Доклады II-ой Международной конференции «Сокращение эмиссии метана».- Новосибирск.- 2000.- с. 568-574.
2. Zeninari V., Parvitte B., Courtois D., Kapitanov V.A. and Yu.N. Ponomarev, 2003: Infrared Physics & Technology, 44 (2003), 253-261.
3. Zeninari V., Kapitanov V.A., Ponomarev Yu.N., Courtois D. Infrared Physics & Technology, 40 (1999), 1-12. S233
— Коротко об авторах -
Капитанов В.А. - канд. физ.-мат. наук, Матвиенко Г.Г. - д-р физ.-мат. наук, проф., ПономаревЮ.Н. - д-р физ.-мат. наук, проф. ИОА СО РАН,
Тайлаков О.В. - д-р техн. наук, проф., Счастливцев Е.Л. - д-р техн. наук, Макеев М.П. - канд. техн. наук, Тайлаков Д. О. - аспирант ИУУ СО РАН.
163
