Добыча и утилизация метана при подземной разработке угольных месторождений.
Студенты Филиала КузГТУ гр. ГП – 063
А. Г.
Д. Т.Н. профессор И.
Горное производство, имеющее своей целью добычу полезного ископаемого подземным способом, в данном случае каменного угля, с первых шагов своего развития сопровождалось попутным добыче угля выделением рудничного газа, в состав которого входит газ-мета. По уровню отрицательного влияния на ход ведения горных работ он не уступает, а даже превосходит проявления горного давления, обводнённости, пылевыделения, тепловыделения и др.
Многие годы проблемы угольного метана подвергались научным исследованиям и разработкой соответствующих технических, технологических и организационных решений, но в основном с позиций обеспечения безопасных и эффективных условий для горного производства. Однако в последнее время, эти проблемы всё больше связывают с необходимостью использования газа метана как энергоносителя, а также как экологическую вредность, отрицательно влияющую на озоновый слой Земли в части потепления её атмосферы.
Газоносные угольные месторождения Российской Федерации, разрабатываемые в Кузнецком и Печорском бассейнах, имеют прогнозные ресурсы метана в угленосных толщах 25-32 триллионов м3, промышленные ресурсы в пределах полей действующих и строящихся шахт составляет 1100-1200 млрд. м3 1 . Возможные объёмы извлечения метана составляют 5-7 млрд. м3 в год. Наиболее перспективным для извлечения и использования шахтного газа метана является Кузнецкий бассейн. Это установлено детальным прогнозом запасов метана в промышленных и балансовых запасах угля, глубоким анализом газоносности толщи бассейна и метанообильности шахт.
Способы управления газовыделением регламентируются абсолютной газообильностью выемочного участка, которая представлена тремя диапазонами: 0-12 м3/мин, 12-24 м3/мин и более 24 м3/мин 1 . В первом диапазоне газообильности управлением газовыделением осуществляется средствами вентиляции, но этот способ не отличается стабильностью и при увеличении газообильности заметно ухудшаются горнотехнические и экономические показатели работ.
При этом с увеличением газообильности очистных забоев снижаются средние значения нагрузки на очистной забой, производительности труда по добыче, возрастают выбросы в атмосферу шахтного газа, содержащего метан, пыль и тепло. Себестоимость добычи угля растёт и увеличивается на 12% от уровня не газовой шахты.
В диапазоне газообильности 12-24 м3/мин эффективное управление газовыделением осуществляется рациональным сочетанием методов вентиляции и дегазации. За счёт изолированного отвода части метана, минуя атмосферу горных выработок, сокращаются расходы воздуха вентиляционных струй и выбросы пыли и тепла. Перспективным направлением является промышленное использование метана для повышения энерговооружённости производственных процессов.
При газообильности выемочного участка более 24 м3/ мин рекомендуется его отработка в инертной газовой среде. Применение этого способа обеспечивает снятие ограничения по газовому фактору, сокращение выбросов в атмосферу шахтного газа, пыли и тепла, интенсивную утилизацию метана.
Большинство шахт в настоящее время эксплуатируются в условиях второго диапазона газообильности, в связи, с чем осуществляется управление газовыделением с помощью дегазации, которая насчитывает более 30 способов и технологических схем, наиболее распространенными из которых являются:
- предварительная пластовая дегазация;
- дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными с поверхности;
- дегазация выработанного пространства скважинами из подготовительных выработок;
- барьерная дегазация.
Предварительная дегазация, как правило, производится при наличии неразгруженного горного массива и применяется для снижения метанообильности призабойного пространства лавы за счёт извлечения метана из пласта до начала очистных работ. Преимуществами способа являются снижение экстремальных выделений метана в период ведения очистных работ, возможность значительно повысить нагрузку на очистной забой, возможность комплексного использования пластовых дегазационных скважин для нагнетания воды в пласт в целях борьбы с пылеобразованием.
К недостаткам относятся: длительный период предварительной дегазации (свыше 100-150 суток), ограниченная область применения из-за низкой газопроницаемости разрабатываемых пластов и техническая сложность бурения пластовых скважин с вязкими и сыпучими углями. Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжительностью их использования.
Наиболее технологичным и эффективным способом извлечения метана в широком диапазоне горно-геологических условий являются вертикальные скважины, пробуренные с поверхности в разгруженный горный массив. Этот способ позволяет извлекать метан из всех источников (сближенные пласты, газоносные породы и выработанные пространства), разделить в пространстве горные работы и работы по извлечению газа, применить мощную буровую технику и уменьшить общий объём работ по дегазации.
Вертикальные скважины увеличивают извлечение метана из подработанных пластов и пород в 1,5-2 раза и являются не столько дегазирующими столько метановыделяющими (или метанодобывающими). Если этот факт считать недостатком в вопросе эффективности дегазации действующих выработок шахты, то в технологии извлечения (добычи) метана как энергоноситель для целей промышленной утилизации и химического производства, он является положительным.
Широко используются дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными из горных выработок. При отработке сближенных пластов в благоприятных горно-геологических условиях используется пластовая дегазация под - и надрабатываемых пластов. Дегазацию можно осуществлять через скважины, как по наслоению, так и в крест пласта в зависимости от глубины разработки и соответствующих значений природного давления газа и метаноотдачи пласта. Скважины бурят на оптимальном расстоянии между скважинами от5 до20 м. Продолжительность дегазации от нескольких месяцев до двух лет.
При ведении подготовительных работ конвейерный или откаточный штрек проводится с бурением скважин из боковых ниш нарезаемых проходческим комбайном в шахматном порядке. Барьерные скважины выполняют роль разведочно-дегазационных, позволяя не только определить давление газа, но и своевременно обнаруживать газонапорные трещины, дизъюнктивные нарушения. Содержание метана в извлекаемом этими скважинами газа составляет 2-12% из-за хорошей аэродинамической связи атмосферы выработок и дегазационной скважины.
Применяемые способы управления газовыделением в шахтах, в том числе и высокоэффективные комплексные схемы дегазации с активным воздействием на газонасыщенный углепородный массив, были научно разработаны, технически и технологически оснащены и широко используются в промышленных условиях в основном с целью обеспечения безопасных и безаварийных условий работы газообильных шахт.
Вместе с тем, возросшая необходимость интенсификации угольного производства путём внедрения более совершенных и высокопроизводительных комплексов очистного и проходческого оборудования, транспортных средств и другого оборудования нового технического уровня, потребовала повышения энерговооружённости производственных процессов шахт в первую очередь за счёт внутренних ресурсов – попутного добываемого с углём энергоносителя газа-метана.
С этой целью поставлена задача использовать огромный потенциал дегазационных работ в направлении выбора наиболее приемлемых и одновременно высокоэффективных способов и комплексных схем дегазации шахт для рационального, целенаправленного извлечения и эффективной утилизации каптируемого газа-метана с получением дополнительной тепловой и электрической энергии для нужд производства, а также моторного топлива для автотранспорта технологического назначения и продажи сторонним потребителям с целью получения дополнительной прибыли для целей развития производства.
Рассмотрим зарубежный опыт по утилизации метана на шахтах Австралии:
Шахта «Тауэр»
Годовая добыча угля составляет 1,5 млн. тонн в год. На шахте одна лава оборудована очистным комплексом и три забоя, оборудованные проходческими комплексами «Джой». Производительность лавы составляет 11000 тон в сутки. Относительная газообильность шахты без дегазации 15 м3/т и 1 м3/т после дегазации. Дегазация осуществляется скважинами, пробуренными с поверхности. Содержание метана 50 – 60 %. На шахте готовят установку для утилизации метана. Численность на шахте 265 человек и 45 человек инженерно – технических работников, не считая численность подрядных организаций.
Шахта «West Klift»
Годовая добыча составляет 2,3 млн. тонн угля в год. Работают два очистных забоя и шесть подготовительных. Численность трудящихся 420 человек, в том числе ИТР – 50 человек. Для дегазации бурятся скважины по пласту угля (направленное бурение). Максимальная длина скважины составляет 1400м. Газ (метан) утилизируется на электростанции. Электроэнергии достаточно для производства, и около 30% продаётся внешним потребителям. Общая мощность электростанции на шахте составляет 11Мвт.
При бурении скважин контролируется положение бурового инструмента для определения азимута скважины. Скорость бурения скважин 150 метров за семичасовую смену. Длина газового трубопровода по шахте составляет 20 км. Концентрация газа в трубопроводе более 50%. Каждый год бурят по 100 км скважин.
В «Белон» возможно создание промышленного комплекса по добыче и утилизации шахтного метана на базе:
- пробуренной и оборудованной системы газодобывающих скважин на выработанное пространство отработанных лав; - пробуренных и оборудованных скважин для добычи газа из неразгруженных угольных пластов; - стационарных вакуум-насосных станций; - оборудование для утилизации метана: шахтная котельная; газомоторные электрогенераторы.
На шахте «Чертинская – Коксовая» природная газоносность разрабатываемых угольных пластов по данным геологоразведки изменяется от 5 до 25 м3/т с. б.м. в зависимости от глубины залегания. Согласно материалам шахты средняя абсолютная метанообильность с учетом каптажа метана, составила 39,6 м3/мин, а относительная метанообильность шахты – 37,97 м3/т. Совместным приказом по ОАО "ПО "Сибирь-уголь" и Кузнецкому управлению Госгортехнадзора России "Об установлении категорий шахт по метану" шахте "Чертинская - Коксовая" установлена категория : - "Опасная по внезапным выбросам". Содержание метана в пробах угля изменяется от 0,4% (на глубине 144 м) до 91,2% (на глубине 324 м), возрастая с увеличением глубины.
Разработанные и требуют практической реализации технология обеспечения каптируемым газом метаном бытовых потребителей – жилищного комплекса, предприятий бытового обслуживания. Технология предусматривает как магистральную разводку, так и доставку газа потребителям в специальных ёмкостях.
Осуществляемые работы по повышению в условиях энергетического кризиса эффективности промышленного и бытового использования каптируемого шахтного газа метана носят исключительный характер для создания безаварийных условий труда и реализации газа-метана в условиях рыночной экономики.
Экономическая целесообразность утилизации метана может быть оценена коэффициентом эффективности (Кэ) соотношением энергетических затрат на подготовку газа Эзат и получение в результате утилизации Эпол:
Кэ=(Эпол-Эзат)/Эпол
Чем больше Кэ, тем эффективнее по энергетическому критерию способ использования шахтного метана.
Литература:
1. Добыча и утилизация метана при подземной разработке угольных месторождений. Н. Н. Красюк, Д. И. Жмуровский, С. С. Золотых, А. И. Жаров МГГУ, Москва 1989г.
Основные порталы (построено редакторами)