Природноресурсный потенциал територии и его рациональное использование

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 620.97 Горно-геологические условия извлечения метана на угольных месторождениях Украины

ПРИРОДНОРЕСУРСНИЙ ПОТЕНЦІАЛ ТЕРИТОРІЇ ТА ЙОГО РАЦІОНАЛЬНЕ ВИКОРИСТАННЯ

В.В. Лукинов

Виконано аналіз гірничо-геологічних умов видобування метану на вугільних родовищах України. Досліджено різні аспекти створення та реалізації нових технологій дегазації вуглепородних масивів на вуглегазових родовищах, що стануть основою створення індустрії шахтного метану.

Выполнен анализ горно-геологических условий извлечения метана на угольных месторождениях Украины. Рассмотрены различные аспекты создания и реализации нових технологий дегазации углепородных массивов на углегазовых месторождениях, которые послужат основой создания индустрии шахтного метана.

The mining-geological conditions of methane extraction on coal deposits of Ukraine are analysed. The various aspects of creation and realization of new technologies of degassing of coal mass on coal-gas deposits, as the bases of creation of the industry mine methane, are considered.

Эффективность и безопасность разработки угольных месторождений на больших глубинах теснейшим образом связаны с решением проблемы метана.

В отличие от природных месторождений газа, большая часть метана угольных месторождений находится в сорбированом состоянии (метан сорбирован углем) и лишь незначительное количество его находится в свободном и растворенном виде. Уголь, как хороший сорбент, способен удерживать определенное количество метана в связанном состоянии при соответствующих давлении и температуре.

Извлечение метана из угля возможно только при условии нарушения сорбционного равновесия и увеличения проницаемости углепородного массива, через который газ движется к скважинам.

Опыт наиболее развитых угледобывающих стран, в которых осуществляется промыш-ленная добыча метана показывает, что извлечение метана возможно и целесообразно на следующих стадиях разработки угольных месторождений.

1. До начала выемки угля газ из угольных пластов можно добывать только с применением различных способов, стимулирующих его десорбцию (гидроразрывы пластов, направленное мультилатеральное многоствольное бурение скважин, откачка воды). Такой газ в международной практике называется CBM - coal bed methane - метан угольных пластов. В отдельных случаях газ можно добывать до начала ведения очистных работ по углю без дополнительной стимуляции, например из вмещающих пород при наличии купольных структур и высоких коллекторских свойств пород. Образованию и сохранению зон скопления метана в породах способствует тектоника, формирующая в породах, как правило песчаниках, порово-трещинный коллектор. Такой газ, который также как и CBM содержит более 90 % метана и извлекается до начала выемки угля, следует называть CFSM - coal formation sundstone methane - метан песчаников угленосных формаций. Таким образом, метан, извлекаемый до начала выемки угля, как CBM, так и CFSM, можно классифицировать как CFM - coal formation methane - метан угленосных формаций.

2. На действующих шахтах в процессе выемки угля извлечение газа осуществляется методами текущей дегазации, когда за счет разгрузки углепородного массива от горного давления, происходит десорбция метана из углей и его фильтрация из пор и трещин пород-коллекторов. Этот газ называют СMM, или - coal mine methane - метан угольных шахт, а содержание метана в его составе изменяется от 30 до 50 %.

3. Извлечение метана, который заполняет горные выработки и выработанные пространства отработанных лав и закрытых шахт осуществляется после завершения выемки угля, путем бурения скважин на старые горные выработки и последующей откачки метана вакуумными насосами. Это так называемый CAM, или - соal abandoned methane - метан закрытых шахт. Содержание метана в составе этого газа, по данным немецких исследователей, составляет 50 - 70 %.

Таким образом, по происхождению, составу, содержанию и условиям распространения, метан угольных месторождений можно разделить на три группы: метан угольных пластов, метан угольных шахт, метан закрытых шахт, которые, соответственно, являются определяющими при выборе и технологий добычи, и направлений использования.

По первой группе (метан угольных пластов)

Технология добычи метана из угольных пластов довольно сложная и дорогая. В настоящее время она применяется только в США и Канаде. В США ежегодно добывают более 50 млрд. м³ метана. В России, ОАО Газпром приступает к реализации крупномасштабного проекта по добыче метана из угольных пластов, для чего создана его дочерняя компания - “Промгаз”. Первый этап экспериментального проекта по добыче метана на Талдинской площади в Кузбассе завершен успешно. В 2007 - 2008 годах планируется реализовать второй этап проекта, в рамках которого будет создана необходимая нормативная база, разработана проектно-сметная документация, а во второй половине 2009 года начнется добыча метана и поставка его потребителю. План - 4 млрд. м³ газа в год.

Для того, чтобы оценить экономическую эффективность реализации проекта добычи и использования метана из угольных пластов, необходимы соответствующие, очень не малые затраты на отработку технологий и оценку ее применимости. Именно это сдерживает реализацию проектов по освоению метана угольных пластов в Украине. В настоящее время экспериментальные работы по этому направлению на Южно-Донбасской площади проводит компания “Экометан”.

По второй группе (метан угольных шахт)

На угольных шахтах Донбасса, накоплен большой опыт проведения дегазационных работ и работ по извлечению метана угольных шахт путем бурения, как подземных скважин, так и скважин с поверхности на полях действующих шахт. В последние годы накоплен опыт утилизации метана угольных шахт, который указывает на экономическую эффективность работ по освоению метана угольных шахт .

В рамках именно такого подхода учеными Национальной академии наук Украины вместе со специалистами отраслевых институтов Минуглепрома разработана и реализуется, впервые в Украине, “Комплексная программа дегазации и использования шахтного метана”.

Комплексная программа предусматривает прогнозирование зон скопления свободного метана в ненарушенном и подработанном горными выработками массиве, применение новейших методов и технологий дегазации угольно-породного массива, внедрение новых технических средств бурения скважин, использование различных технологических схем утилизации метана, который каптируется шахтной дегазационной системой. Внедрение новых технологий дегазации на шахте им. А.Ф. Засядько позволило повысить содержимое метана и увеличить его объемы в составе газа из подземных дегазационных скважин.

По третьей группе (метан закрытых шахт)

Работы по извлечению и утилизации метана из горных выработок закрытых угольных шахт являются очень перспективными и эффективными. В настоящее время они проводятся в США, Германии, Англии и некоторых других странах.

Накопленный опыт работ подтверждает перспективность и экономическую эффективность добычи и утилизации этого ценного энергоносителя. Так, например, в Германии, фирмой “Minegas”, на производственной площадке восточного ствола закрытой шахты “Хуго”, осуществлен проект по добыче шахтного метана и выработке электроэнергии.

Оборудование, обеспечивающее выработку 64 млн. кВт-ч электроэнергии в год, располагается в 6 контейнерах-модулях, которые с помощью манифольда - трубопровода соединены с центральным газоподающим трубопроводом, оставленном в стволе. Ежегодно из ствола откачивается примерно 35 млн. м³ метано-воздушной смеси с концентрацией метана 50 % и более, которая полностью используется для выработки электроэнергии.

В каждом модуле расположен вакуумный насос, обеспечивающий топливом, в данном случае метано-воздушной смесью, работу одного дизель-генератора. Производительность насоса составляет 10-15 м³ в минуту. Использование блочной компоновки “вакуумный насос - дизель-генератор”, делает более гибкой систему управления энергоустановкой и облегчает ее эксплуатацию. Шахта “Хуго” закрыта 5 лет тому назад и на протяжении всех этих лет добываемый шахтный метан обеспечивает работу 6 дизель-генераторов фирмы GE-Jenbacher, мощностью 1,3 МВт каждый, общей установленной мощностью 8 МВт.

Правительство Германии установило определенные стимулы для поощрения деятельности по утилизации шахтного газа метана. За каждый выработанный из шахтного газа метана киловатт-час электроэнергии правительство платит 7,7 евроцентов, при стоимости обычной электроэнергии 5 евроцентов/киловатт-час.

В Украине отсутствует опыт добычи и использования метана закрытых шахт, однако опыт таких работ, накопленный за границей, подтверждает перспективность и экономическую эффективность добычи и утилизации этого ценного энергоносителя. В угледобывающих регионах, в частности в Донбассе, имеется ряд перспективных по добыче метана площадей, на которых расположены закрытые шахты.

Специалистами ИГТМ НАН Украины разработана Программа освоения метана закрытых шахт и, при соответствующей поддержке, мы готовы начать реализацию пилотных проектов.

Следует отметить, что Национальной энергетической программой Украины на период до 2010 года разработаны пути эффективного обеспечения страны энергетическими ресурсами за счет активизации развития собственного топливно-энергетического комплекса. При этом уголь остается на перспективу главным отечественным энергоносителем. Вместе с тем, только 14 % нефти и 30 % газа от общей потребности Украины предполагается покрыть за счет внутренних ресурсов. Именно поэтому важное место в “Программе…” отводится альтернативным видам топлива, за счет которых после 2010 г. будет вырабатываться до 10 % всей энергии. Значительное место в этой области отводится метану угольных месторождений.

По некоторым оценкам общие мировые ресурсы метана угольных месторождений составляют от 93,4 до 285,2 триллионов м³. Украина в этом перечне занимает четвертое место. Наши ресурсы оцениваются в 12 трлн. м³ метана, который в 3-3,5 раза превышают ресурсы природного газа.

Как известно, в Украине есть два каменноугольных бассейна, которые имеют достаточное количество угля на доступных для его добычи глубинах и перспективных для извлечения метана. Это - Донецкий бассейн, расположенный на юго-востоке Украины, и Львовско-Волынский бассейн, который находится в Западной Украине. Однако, при этом необходимо отметить, что показатели метаноносности углей распределены неравномерно. Это связано, прежде всего, с тем, что, потенциал ресурсов метана в бассейнах существенно различается. Более перспективным является Донбасс, где уголь представлен практически всеми существующими марками от бурых до высокометаморфизованных суперантрацитов, а это, как известно, один из главных признаков наличия или отсутствия метана. Особое внимание необходимо обратить на сложную и разнообразную тектонику Донецкого угольного бассейна. Анализируя структурное районирование Донецкого бассейна, можно выделить угленосные районы, которые по современным представлениям могли бы стать площадями активного и, самое главное, экономически обоснованного извлечения метана.

Проблема извлечения метана из углепородных массивов угольных, а точнее углегазовых месторождений не нова и имеет уже свою историю. Со времени, когда в позапрошлом столетии были зафиксированы первые взрывы метана при ведении горных работ, в результате чего гибли люди, дегазация отрабатываемых угольных пластов стала постоянной и неотъемлемой частью технологического процесса при добыче угля.

Над решением проблемы снижения влияния метановыделения на ведение горных работ и создания безопасных условий работы шахтеров, работали многие ученые, в том числе и украинские. Можно с уверенностью сказать, что разработанные ими технологии дегазации помогли избежать многих аварий с катастрофическими последствиями.

Однако, постоянно усложняющиеся условия ведения горных работ, связанные с увеличением глубины и интенсивности разработки угольных месторождений, ставят перед наукой всё новые и новые задачи.

Практика требует разработки принципиально новых технологий, которые предусматривали бы осуществление предварительной, текущей и постэксплуатационной дегазации угольных месторождений. Реализация комплекса мероприятий по внедрению новых технологий должна обеспечить безопасные условия работы на угольных шахтах, снять остроту постоянной опасности взрывов метана, повысить эффективность извлечения и использования угольного метана.

В последние годы проблема метана получила новое направление - экологическое. Сегодня метан приносит бедствие не только под землей, но и на поверхности тем, кто не имеет к нему прямого отношения.

Установлено, что по своим свойствам метан в 21 раз активнее, чем углекислый газ по влиянию на процессы, связанные с образованием “парникового эффекта”. Только в Донбассе эмиссия шахтного метана в атмосферу по данным экологов в 1999 году составила 2 млрд. куб. метров. Снижение выбросов метана является не только региональной, но и глобальной задачею, о чем свидетельствуют материалы Киотского протокола.

Согласно этому протоколу, Украина должна стабилизировать выбросы парниковых газов на уровне 1990 г., что составляет 854,1 млн. т. в эквиваленте СО₂. Наиболее вероятно, что в 2008-2012г. выбросы СО₂ не превысят 565 млн. т. Украина может взять обязательство по стабилизации выбросов СО₂ в атмосферу и обеспечить снижение эмиссии метана.

По своим свойствам метан является стоимостным энергетическим и химическим сырьем. Теплотворная способность метана такая же, как у природного газа.

Сейчас в Украине для извлечения газа в большинства случаев используется обычная технология бурения подземных и наземных дегазационных скважин с последующим подключением их к вакуум-насосным станциям. Процентное содержание метана в смеси очень низкое, в диапазоне от 5 до 65 %, причем на 74 % шахт содержание метана ниже 25 % и только на 6 % шахт оно превышает 45 % и на 9 шахтах содержание метана превышает 35 %.

Существует целый ряд причин, которые обуславливают низкую эффективность работы дегазационных систем шахт:

отсутствие технологии и техники бурения длинных подземных дегазационных скважин;

большая длина дегазационных газопро-водов и их некачественная герметичность;

отсутствие техники направленного вертикального бурения для сокращения пути транспортирования дегазированного метана на поверхность;

отсутствие надежной системы контроля количества и качества извлекаемого газа.

В Институте геотехнической механики НАН Украины разработана и защищена патентами концепция принципиально новой технологии дегазации углепородных массивов - технология “газовых горизонтов”, которая базируется на распределении во времени и в пространстве процессов добычи угля и извлечения метана. Сущность концепции состоит в использовании не двух, а трех штреков на один очистной забой: двух для добычи угля, и одного - штрек “газового горизонта”, для бурения дегазационных скважин, извлечения и транспортирования метана. Такой подход осуществляется впервые в мировой практике. Он разрешает осуществить не только предварительную и текущую, но также и постэксплуатационную дегазацию углепородного массива с одной подземной горной выработки - штрека “газового горизонта”.

Научной основой концепции стали полученные в ИГТМ НАН Украины результаты исследования влияния геологических, геомеханических и геодинамических факторов на газоемкостные и газодинамические характеристики углепородного массива, в том числе на характер его газоотдачи. Особое внимание при этом уделяется песчаникам, которые рассматриваются как один из основных объектов дегазации.

Установлено, что газ в песчаниках накапливается в зонах развития локальных антиклинальных структур. Количество газа возрастает в зонах повышенной тектонической нарушенности, которые пересекают эти песчаники. Выполненные в ИГТМ геологические исследования и разработанные методы позволяют выделять в горном массиве шахты участки, благоприятные для предварительной дегазации без интенсификации - гидроразрыва или подработки массива.

Результаты изучения геомеханических процессов, протекающих в шахтах при ведении очистных и подготовительных работ, показали возможность использования разработанных в ИГТМ расчетных методов для определения параметров техногенных зон, в которых формируются скопления метана. На этой основе разработаны и предложены методы оценки и расчета ресурсов техногенных скоплений метана. Принципиально важным является вопрос не о дегазации пород кровли, подошвы или угольного пласта вообще, а о дегазации природных и техногенных зон, которые являются основными источниками поступления метана в лаву.

Для примера, приведем газовый баланс 16-й западной лавы пласта m₃ на шахте им. А.Ф. Засядько. Той самой лавы, восточную часть которой планируется дегазировать скважинами, пробуренными из “газового горизонта”. В выработанное пространство лавы каждую минуту выделяется метана: из угольного пласта - 10 м³ (11 %); из пород кровли - 52 м³ (58 %); из пород почвы - 10 м³ (11 %); из выработанного пространства - 18 м³ (20 %). Всего - 90 м³ (100 %).

Основная часть метана, 78 %, выделяется в лаву из кровли и выработанного пространства. Именно эти объекты предполагается в первую очередь дегазировать скважинами из штрека “газового горизонта”, который проводится выше готовящейся к отработке лавы. Место проведения штрека “газового горизонта” в подработанном горном массиве рассчитывается с учетом геомеханических процессов сдвижения горных пород в результате отработки лавы.

Технология “газового горизонта” по дегазации углепородных массивов отрабатывалась на шахтах им. А.Ф. Засядько и “Краснолиманская”. Эти шахты наиболее опасны по газовому фактору, имеют развитую дегазационную сеть, буровую и проходческую технику, подготовленный технический персонал.

Работы проводились с середины 2003 года по конец 2004 года. Получены положительные результаты.

Таким образом, на сегодня институтом выполнен большой объем работ по созданию и реализации нових технологий дегазации углепородных массивов на углегазовых месторождениях, которые послужат основой создания индустрии шахтного метана. Первые результаты убеждают в правоте наших теоретических и практических разработок и перспективности их применения в угольной промышленности. Результаты этих работ должны обеспечить безопасные условия работы шахтеров, избежание взрывов метана в шахтах, снижение выбросов метана в атмосферу, вовлечение метана в топливно-энергетический комплекс страны.

Таким образом, имеющиеся предпосылки, а именно, научно-технические и технико-технологические разработки и опыт, который имеется у отраслевых организаций и институтов Национальной академии наук Украины, а также горно-геологические, экологические и экономические условия в угледобывающих регионах, указывают на наличие возможностей и свидетельствуют о целесообразности осуществления проектов промышленной добычи и утилизации метана.

метан уголь месторождение дегазационный

Размещено на Allbest.ru