К.т.н.
Мазаник Е.В., Могилева Е.М.
ОАО
«СУЭК-Кузбасс»,
Московский
государственный горный университет
Дегазация - основа комплексного
освоения
углегазовых месторождений
Угольный метан,
являясь одной из основных опасностей, возникающей при разработке угольных
месторождений, одновременно является и ценным углеводородным сырьем, огромные
запасы которого заключены в угольных пластах и вмещающих горных породах. Постоянное ухудшение
горно-геологических условий отработки и развитие техники определяют высокую
актуальность проблемы метанобезопасности. Именно поэтому неотъемлемым элементом
технологии угледобычи стала дегазация, обеспечивающая потенциальную возможность
использования шахтного метана. Актуальность данного направления подтверждается
и тем, что одними из основных приоритетов экологической политики развития
топливно-энергетического комплекса являются:
·
более
широкое использование шахтного метана;
·
стимулирование
применения малоотходных и безотходных технологий.
Газ, содержащийся в угольных
пластах на глубинах более 400 м, по своему компонентному составу соответствует
природному газу, так содержание метана составляет 95-99%, концентрация тяжелых
углеводородов изменяется от долей до нескольких процентов, на водород,
углекислый газ и инертные газы приходится до 1-2%. К преимуществам следует
отнести отсутствие вредных примесей, т.к. уголь является природным сорбентом.
Использование шахтного метана обеспечивает
реализацию принципа комплексного освоения углегазовых месторождений и снижение
негативных экологических последствий, в частности сокращению выбросов
парниковых газов. Однако взаимосвязь основных элементов дегазационных систем
(скважин) с атмосферой горных выработок приводит к значительным колебаниям
параметров извлекаемых метановоздушных смесей, что является одним их основных
препятствий их эффективной утилизации. Часто дегазация используется для выноса
метановоздушной смеси с концентрацией метана до 25%, сокращая потенциальные
объемы использования.
Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью
угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжительностью их
эксплуатации. В условиях высокопроизводительных лав при большой скорости
подвигания очистных забоев не только обостряется проблема воспроизводства
фронта очистных работ, но и сокращается продолжительность предварительной
дегазации из-за уменьшения интервала времени между окончанием подготовки
выемочного столба и началом очистных работ.
Анализ эффективности предварительной пластовой дегазации показывает,
что с увеличением глубины и газоносности угольного пласта количество
извлекаемого газа растет до глубины 400 – 500 м. В дальнейшем снижение
проницаемости пластов приводит к уменьшению дебита метана из скважин,
следствием чего является сокращению расстояния между пластовыми скважинами.
Так, если в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» расстояние между скважинами
достигает 10-16 м, то в сложных горно-геологических условиях Карагандинского
бассейна (ш. им. Ленина) оно составляет всего 4 м. Количество извлекаемого
метана при применении данного способа с увеличением глубины залегания пластов
постоянно возрастает, однако это происходит не столько за счет расширения
области его применения, сколько вследствие увеличения плотности бурения скважин
и вовлечения в разработку запасов угля с соответствующими условиями. Доля
метана, извлекаемого этим способом, постоянно снижается и сейчас не превышает 6
%. Во многом это связано с низкой эффективностью извлечения метана – съем, как
правило, не превышает 1,5 м3/т и даже применение пересекающихся
скважин часто не обеспечивает необходимой степени дегазации.
При потенциально высоком
качестве извлекаемых МВС по концентрации метана и стабильности концентрации и дебита, объемы газа кондиционного
состава не превышают 50%. Основной причиной этого является качество ведения
дегазационных работ, в основном герметизация устья скважин и наличие подсосов
по дегазационному ставу. Устранение подсосов по ставу, достигающих 60 – 70 %, позволяет
значительно повысить концентрацию метана. Кроме того, отключение отдельных
элементов с низкой концентрацией метана, как правило, незначительно влияет на
суммарный съем, но существенно повышает концентрацию метана. Особое влияние на
концентрацию метана в извлекаемом газе оказывает герметизация устья скважин.
Увеличение глубины герметизации и её качества
способствует повышению концентрации метана в извлекаемом газе.
Значительно повысить эффективность пластовой дегазации удалось в
Карагандинском бассейне при комплексном способе дегазации, когда пластовые
скважины были использованы в зонах гидрорасчленения. Коэффициент интенсификации
газовыделения при этом составил 3 –7, увеличилась и концентрация метана в
среднем составив около 50%.
Основным способом дегазации на шахтах,
разрабатывающих угольные пласты на глубине до 500-600 м, является дегазация
выработанного пространства через скважины, пробуренные с поверхности. Следует
отметить, что дегазация вертикальными скважинами с поверхности имеет весьма
серьезный недостаток: хотя выделение из вертикальных скважин большое, влияние
их на газовыделение в выработки снижается с повышением интенсивности очистных
работ. При этом значительную долю извлекаемого ими метана составляет метан,
выделяющийся из пластов, пропластков и слоев пород, удаленных от
разрабатываемого пласта. В обычных условиях метан из указанных источников не
проникает в выработанное пространство или выделяется в небольших количествах.
Вертикальные скважины увеличивают извлечение метана из подработанных пластов и
пород в 1,5 – 2 раза, т.е. являются не столько дегазирующими, сколько
метанодобывающими. Другой недостаток способа – высокая стоимость пробуренных с
поверхности вертикальных скважин. На глубинах более 400 м стоимость бурения скважины существенно
зависит от ее диаметра. Необходимо учитывать и тот факт, что их эксплуатация
требует аренды земельного отвода, что в ряде случаев приводит к крайней
минимизации времени работы. Эффективность работы скважин во многом определяется
правильным выбором параметров их заложения (расстояние от забоя скважины до
вентиляционного штрека, расстояние между скважинами, величина рабочей зоны
скважин) и режимом работы (разрежение на устье скважины).
С увеличением глубины дебит этих скважин также
падает в результате более быстрого восстановления горного давления, повышается
аварийность в результате их срезания при подработке.
Перспективы данного способа связаны с переходом
на использование скважин сложного профиля [1], рабочая часть которых
располагается непосредственно за границей зоны полных сдвижений боковых пород и
по касательной к направлению перемещения разрушенных блоков, но в пределах зоны
разгрузки.
Широко используется дегазация спутников
скважинами, пробуренными из горных выработок. Наиболее успешно этот способ
применяется на шахтах Воркутинского
бассейна и обеспечивая эффективность до 60 %. Бурение этих скважин
осуществляется с конвейерного штрека после посадки основной кровли. Параметры
заложения определяются свойствами и структурой вмещающих пород, основным
является мощность междупластья. Одним из основных недостатков данного способа
является то, что для сохранности скважин их бурение осуществляют после прохода
лавы, приводящее к отставанию дегазационных работ от очистных. Следовательно, с
увеличением нагрузок эффективность способа также будет снижаться. В этих
условиях перспективы во многом связаны с использованием подземных скважин с
горизонтальным окончанием, пробуренных навстречу забою.
Для обеспечения эффективной утилизации необходима полная информация о
параметрах извлекаемых метановоздушных смесей различными способами дегазации.
Известная в настоящее время информация позволяет оценивать эффективность
дегазации, но не надежность дегазационных сетей как источников газа.
При анализе способов дегазации как потенциальных источников
газоснабжения следует учитывать большое количество параметров метановоздушной
смеси: концентрацию и дебит, нестабильность концентрации и дебита во времени,
их максимальные значения и др.
Следует отметить, что на практике часто
наблюдается повышение доли кондиционного газа в случае перехода к утилизации,
т.к. обычно повышается качество ведения дегазационных работ.
Опыт утилизации каптируемого метана показал, что значительные перебои в
работе, большие объемы резервных сетей и, как следствие, недостаточная доля
используемого метана (менее 50% от направляемого на утилизацию) определяются в
основном значительными колебаниями концентрации и дебита метана.
Ранее выполненный анализ способов дегазации как источников
газоснабжения показал, что только вертикальные скважины с поверхности и
пластовые в зонах гидрорасчленения более половины времени дают кондиционную
смесь (соответственно 67 и 59% от общего времени работы источников [2]). Однако
в условиях ОАО «СУЭК-Кузбасс» ситуация осложняется тем, что вертикальные
скважины эксплуатируются кратковременно.
При утилизации большое значение, кроме дебита
метана и его концентрации в смеси, приобретают такие показатели, как влажность
газа, его давление, наличие механических примесей и ряд других.
Серийно выпускаемые водокольцевые вакуумные
насосы имеют достаточно жесткие характеристики и при снижении дебита
извлекаемой смеси искусственно создаются дополнительные подсосы воздуха
байпасом, что приводит к снижению концентрации метана. Кроме этого их
применение определяет и максимально возможную влажность газа. Этих недостатков
лишены ротационные насосы, которые при эксплуатации не требуют необходимости
использования воды и, как следствие, осушки метановоздушной смеси перед подачей
в утилизационные установки, а также обеспечивают эффективную регулировку дебита
и вакуума [3].
В этих условиях решение
проблемы комплексного освоения ресурсов угольных, точнее углегазовых
месторождений на основе промышленного использования метана возможно при решении
следующих задач:
-
разработка
и использование способов извлечения метана из угольных пластов с обеспечением
необходимого коэффициента эффективности дегазации;
-
разработка
способов и технических средств подготовки извлекаемого газа в соответствии с
требованиями промышленных потребителей.
Первая задача имеет
длительную историю в теории и практике дегазации угольных шахт. Проведенный
перспективный анализ способов дегазации показал, что с учетом ухудшения
горно-геологических условий и роста нагрузки на очистной забой, наиболее
перспективными являются способы, предусматривающие проведение воздействий на
угольные пласты с целью повышения их проницаемости, или использующие эффект
разгрузки газоносного массива.
Вторая задача не
является традиционной для угольной промышленности, а учитывая относительно
низкие дебиты газа, нестабильность компонентного состава и дебита, опыт
газоподготовки газовой промышленности может быть использован в незначительном
объеме. Поэтому для обеспечения комплексного освоения угольных месторождений на
базе эффективного использования извлекаемого угольного метана необходима
разработка технологических основ подготовки газа с учетом требований
потребителей.
Как показала международная практика,
реализация проектов по утилизации шахтного метана требует, как правило,
экономического стимулирования таких работ.
Впервые в угольной отрасли России в рамках
реализации Киотского протокола был осуществлен проект по утилизации
дегазационного метана на шахте им. Кирова.
На предприятии в 2009 г. была
построена стационарная вакуум-насосная станция, смонтирована факельная
установка для сжигания метана, в котельной установлено оборудование,
позволяющее производить совместное сжигание угля и газа. Запущены в
эксплуатацию три контейнерные теплоэлектростанции Pro-2 (Германия) суммарной
мощностью 4 МВт·час. Таким образом, утилизации метановоздушной смеси,
извлекаемой из выработанного пространства шахты, осуществляется в следующих
направлениях:
-
для выработки тепловой энергии в действующей котельной на центральной
промплощадке шахты;
-
для выработки электрической энергии в контейнерных теплоэлектростанциях;
- для сжигания в
контейнерных газоутилизационных установках, предотвращая выделение в атмосферу
вредного парникового газа – метана (СН4).
Перевод
котлов КЕ 10/14 в существующей центральной котельной шахты на новое топливо –
метановоздушную смесь, обеспечивает
снижение выбросов сажи в атмосферу на 63,25 т/год, учитывая то, что фоновая
концентрация по саже составляет 0,28 мг/м3, т.е. 1,87 ПДК данный проект утилизации шахтного метана оказывает
благоприятное воздействие на качество атмосферного воздуха в районе
расположения объекта. Расчет приземных концентраций загрязняющих веществ,
выполненный с использованием программного комплекса «Эра», показал, что вклад
предприятия по выбросам сажи составляет: на границе СЗЗ - 0,028 ПДК, на границе
жилой застройки 0,044 ПДК и является незначительным.
За время работы
оборудования утилизировано 15,5 млн. м3 метана. Выработано 26 790
МВт·час электроэнергии, 23 140 МВт·час теплоэнергии. Сокращение выбросов
парниковых газов за отчетный период составило 138,4 тысяч тонн эквивалента СО2.
Этот объем сокращения выбросов парниковых газов оценен в 431,6 тысяч евро. Кроме того, при
использовании дегазационного метана снизится его концентрация и других
рудничных газов в атмосфере г. Ленинск – Кузнецкий в результате перевода
котельной с угля на газ, снижается образование золошлаковых отходов, увеличится
и безопасность добычи в результате расширения применения дегазации.
С 2013 г. появились и другие стимулы для развития данного направления. Так в соответствии со статьёй 343.1 НК
угледобывающая компания имеет право в течение 3 лет после осуществления
расходов на дегазацию удерживать в счет возмещения этих расходов до 30 %
начисленного НДПИ при добыче угля. Это позволяет надеяться на успешное решение
вопроса использования дегазационного метана.
Литература:
1. Ярунин
С.А., Диколенко Е.Я., Пережилов А.Е., Лукаш А.С. Технология гидродинамического
воздействия на газовыбросоопасный углепородный массив через скважины с профилем
пространственного типа. - М.: Полимеджа. 1996. – 430с.
2. Коликов
К.С., Бобнев Ю.Н. Перспективный
анализ способов дегазации// ГИАБ, ОВ
“Метан”, 2007, С. 446-453.
3. Бакхаус К., Голутва
И.А., Застрелов Д.Н., Смыслов А.И. Роторные насосы для дегазации и обеспечения
шахтным газом мини-ТЭС// Уголь. 2013. № 5. С.86-88.