Пути обеспечения метанобезопасности и перспективы промышленной добычи метана из угольных пластов

В статье освещаются проблемы эксплуатации угольных шахт на современном этапе обеспечения безопасности горных работ. Отмечается, что в технологических схемах подготовки и отработки выемочных участков на шахтах должны быть предусмотрены новые модули безопасности, включающие ряд элементов. Подчеркивается, что в последние 30 лет с целью дегазации угольных пластов и утилизации газа для промышленных нужд предпринимаются попытки заблаговременного извлечения метана через вертикальные и горизонтальные скважины. Описываются организационные пути решения проблем извлечения и использования угольного метана в ожидаемой перспективе.

Проблемы эксплуатации угольных шахт на современном этапе

Современные проблемы эксплуатации угольных шахт выдвигают задачу сочетания максималь­ной производительности с обеспечением достаточности мероприятий по безопасности горных работ при подготовке и отработке выемочных участков. Высокой рентабельности достигают шахты с су­точной производительностью не менее 10-15 тыс. т угля. Оптимальной в части концентрации горных работ, стабильной нагрузки на очистной забой и достижения высокой производительности является технология по схеме «шахта — лава».

Известно, что эффективное и безаварийное функционирование на шахте схемы с одним очист­ным забоем возможно в благоприятных горно-геологических условиях. Однако условия залегания пластов на шахтах Угольного департамента (УД) АО «АрселорМиттал Темиртау» (8 шахт) характе­ризуются сложными геодинамическим и газодинамическим состояниями. Поэтому для реализации концептуальных технологических схем «шахта — лава» в условиях подготовки и интенсивной отработки угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна должны быть выполнены исследования и разработки по прогнозу, контролю и управлению горным и газовым давлением на выемочном участке.

Так, выявлено, что для дальнейшего обеспечения безопасности горных работ при внедрении ва­риантов технологических схем «шахта — лава» и снижения риска геодинамических явлений при ин­тенсивной разработке пластов необходим детальный горно-геологический прогноз с выделением тектонически напряженных (ТНЗ) и тектонически разгруженных зон (ТРЗ) на шахтных полях и выемочных участках.

С точки зрения обеспечения безопасности горных работ на высокогазоносных пластах шахт УД АО «АрселорМиттал Темиртау» актуальна проблема метана. Прогнозное газовыделение из разрабатываемого пласта на ряде шахт может достигать критических значений, и производитель­ность очистных забоев лимитирована по фактору вентиляции. Газовый фактор является одним из главных препятствий на пути увеличения нагрузки на очистной забой. Без кардинального сниже­ния газообильности горных выработок, и в первую очередь разрабатываемого пласта, обеспечить на­грузку, предусмотренную в технологических схемах «шахта — лава», не представляется возможным. Поэтому в технологических схемах подготовки и отработки выемочных участков предусмотрены но­вые модули безопасности, включающие ряд следующих элементов [1; 22]:

• управление геодинамическим состоянием массива на основе результатов геодинамического районирования;
• управление геомеханическим состоянием в горных выработках (выбор крепи, активные мето­ды управления горным давлением);
• управление газовыделением (вентиляция и дегазация);
• управление удароопасным и газодинамическим состоянием;
• порядок и контроль горных работ в опасных зонах.

К главным из применяемых средств оценки геодинамического состояния относятся метод гео­динамического районирования, сейсмотектонический анализ, геолого-структурный анализ, шахтные наблюдения и комплексный мониторинг измерений напряженного состояния.

Результаты геодинамического районирования служат основой для реализации в условиях шахт УД АО «АрселорМиттал Темиртау» элемента многофункциональной системы безопасности в части предотвращения условий возникновения различных видов опасностей геодинамического характера, регионального контроля состояния горного массива и прогноза внезапных выбросов и горных ударов на разных масштабных уровнях: участок месторождения — шахтное поле — выемочный блок — вы­емочный участок — очистной забой.

Результаты геодинамического районирования позволяют при проектировании порядка отработ­ки пластов в свите и планировании выемочных участков в пределах шахтного поля учитывать распо­ложение границ тектонически напряженных и тектонически разгруженных зон (ТНЗ и ТРЗ) и подго­тавливать выемочные столбы преимущественно по направлению действия главных горизонтальных напряжений.

Детальный горно-геологический прогноз для условий шахт УД АО «АрселорМиттал Темиртау» с выделением на выемочном поле границ опасных зон позволяет произвести выбор варианта техно­логической схемы, длины лавы, горного оборудования и комплекса превентивных профилактических мероприятий по предупреждению аварийных ситуаций при очистной выемке пласта.

В модуле очистных забоев предполагаются мероприятия с учетом складывающихся фактических (горно-геологической, газодинамической и геодинамической) ситуаций на отдельных участках лавы. Модуль управления геомеханическим состоянием массива содержит различные варианты технологии как упрочнения, так и разупрочнения пород кровли, в том числе в процессе ведения горных работ при отработке удароопасных пластов.

Модуль управления газовыделением состоит из схем вентиляции и дегазации и предполагает применение одного из предложенных для этих конкретных условий вариантов.

С целью информационной поддержки контроля и управления технологическими и производст­венными процессами на шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау» применяется многофункцио­нальная система безопасности.

С учетом данных прогноза и требований безопасности выбираются технологическая схема под­готовки, параметры лавы и горное оборудование в увязке с комплексом систем и средств по контро­лю за состоянием выработок и профилактическим состоянием и мерами на основе многофункцио­нальной системы безопасности. Применение такого технологического подхода в концепции «шахта — лава» позволило в горно-геологических условиях шахт УД АО «АрселорМиттал Темиртау» повы­сить технико-экономические показатели и снизить уровень травматизма шахтеров.

Выбросы угля и газа в рабочее пространство шахт как причина высокой аварийности в угольной отрасли

В последние годы высокая аварийность на предприятиях угольной промышленности связана с непредсказуемыми выбросами угля и газа в рабочее пространство шахт. Это явление продолжается десятилетиями и приводит к гибели большого числа шахтеров.

Выброс угля и пород зависит от их состава, степени нарушенности, газоносности и других фак­торов. Он происходит начиная с глубин 150-300 м, по мере роста горного давления. Наиболее выбро-соопасны угольные пласты в Карагандинском бассейне. На шахтах выбросоопасность устанавливает­ся на основе учета ранее происшедших внезапных выбросов и посредством прогноза [2; 87, 88].

Различают:

• региональный прогноз выбросоопасности, основанный на геологической разведке, анализе геологической обстановки в пределах месторождения, района или шахтного поля;
• локальный прогноз в процессе ведения горных работ. Признаки выбросоопасности:
• увеличение горного давления;
• повышенная газоносность углей и пород;
• пониженная их плотность;
• неоднородность структуры;
• тектонические нарушения.

Наиболее часто выбросы происходят на углях средних стадий метаморфизма.

Как показывает практика работы шахт Карагандинского бассейна, по мере увеличения глубины залегания угольных пластов геологические условия в шахтах усложняются, возрастает горное давле­ние, увеличивается напряженное состояние, которое приводит к снижению проницаемости, увеличи­вается газоносность угольных пластов, значительно возрастает опасность внезапного выброса угля и газа, следовательно, растет себестоимость дегазации, возникает все больше трудностей в управлении процессом.

Существует множество гипотез, объясняющих причины неожиданных выбросов угля и газа в рабочее пространство шахт, однако ни одна из них не раскрывает «спусковой» механизм этого яв­ления.

Обобщение мировой практики дегазации угольных пластов и утилизации газа для промышленных нужд

В будущем потребность в повышении производительности шахт и снижении затрат на добычу угля, который мог бы конкурировать с другими источниками тепловой энергии, вынудит шахты ин­тенсифицировать процессы угледобычи.

Интенсификация процессов угледобычи в шахтах расширит объемы разгружаемого от горного давления углепородного массива, что приведет к существенному росту объемов выделяющегося из источников метана. В этих условиях приоритетными следует считать мероприятия, направленные на перераспределение метановых потоков между вентиляционной и дегазационной системами шахт, с крутым креном в сторону последней. Объемы каптируемого метана, естественно, возрастут, и поя­вится возможность для широкой утилизации метановоздушных смесей [3, 4].

Как показывает мировой опыт, в последние 30 лет с целью дегазации угольных пластов и утили­зации газа для промышленных нужд предпринимаются попытки заблаговременного извлечения ме­тана через вертикальные и горизонтальные скважины. Однако, по оценке представителя «Американ­ского агентства по защите окружающей среды» Ф.Руиз, во всех странах, добывающих метан из угольных пластов, отмечается огромное количество малодебитных или простаивающих скважин без притока метана.

По причине нерентабельности добычи с помощью традиционных технологий корпорация Chev­ron (США) «разошлась с метаном навсегда».

В Индии по тем же причинам многие компании прекратили работу и вернули выделенные уча­стки государству.

В Китае, по состоянию на конец 2013 г., из 13 тыс. пробуренных вертикальных и горизонталь­ных скважин добывается всего 2,7 млрд м³ газа, а путем обычной вакуумной дегазации из 13048 шахт извлекается 10 млрд м³ метана. Из-за нерентабельности только в 2-х провинциях — Шаньси и Шэнь-си — в конце 2013 г. было выведено из эксплуатации 2000 скважин.

По оценке китайских специалистов, на каждый направленный в дотации 1 млрд юаней возвра­щается только 400 млн [5; 28].

Проблема нерентабельности скважин, как представляется, заключается в том, что механический перенос традиционных технологий, применяемых в нефтегазовой промышленности, для добычи ме­тана совершенно не обоснован. Как правило, проекты по добыче метана рассчитаны на 10-20 лет, без каких-либо гарантий дегазации угольных пластов хотя бы до безопасных уровней. Как результат, возникает нездоровый механизм согласований между добычей угля и добычей метана. Предприятия, добывающие уголь, требуют максимальной дегазации в максимально короткие сроки. Однако ни то­го, ни другого традиционные технологии, как правило, обеспечить не могут.

Сравнительный анализ специфики добычи угольного газа метана и природного газа (рис.) свиде­тельствует, что геолого-технические, гидрологические, геомеханические, физические, петрографиче­ские особенности и сама методика извлечения метана из угольных пластов настолько отличаются от традиционной добычи природного газа, что предлагаемые методы, заимствованные из нефтегазо­вой промышленности, в большинстве своем оказались малоэффективными.

Рисунок. Основные характеристики технологий добычи газа (данные работы [5; 28])

Количество скважин, например в Китае, без притока метана либо малодебитных, как вертикаль­ных, так и горизонтальных, превышает 70 % [5; 29].

Обращает на себя внимание тот факт, что эффективность разрекламированных горизонтальных скважин, полностью зависит от проницаемости угольных пластов. В частности, по оценке иностран­ных специалистов, при проницаемости пластов менее 1 мД (миллидарси) бурение таких скважин со­вершенно бесперспективно.

Возникла острая необходимость в разработке новых технологий для дегазации угольных пла­стов. Следует отметить, что методику извлечения метала можно отнести к междисциплинарной нау­ке. Следовательно, и методы его добычи должны быть нетрадиционными. Для этого очень важно по­стараться понять «запускающий механизм» неожиданных выбросов метана и научиться предотвра­щать или, по крайней мере, снижать условия возникновения неожиданных выбросов.

Опыт решения проблем угольного метана на шахтах Карагандинского бассейна

Авторами статьи [6; 43] рассматриваются две проблемы угольного метана — метанобезопас-ность и перспективы промышленной добычи метана из угольных пластов.

Эти проблемы соприкасаются в области технологий заблаговременной подготовки шахтных по­лей к безопасной и эффективной отработке скважинами с поверхности. Решение этих проблем во многом заключается в технологическом умении управлять свойствами и состоянием углегазоносного массива различными инженерными способами.

Проблему обеспечения метанобезопасности авторы статьи предлагают рассмотреть на примере Карагандинского угольного бассейна. На шахтах бассейна применялись и применяются в настоящее время более 30 различных способов и схем дегазации. Это дегазация выработанного пространства скважинами с поверхности, заблаговременная дегазация неразгруженных угольных пластов, пласто­вая дегазация из подземных выработок, скважины в купола обрушения, применение газодренажных выработок, извлечение метана из-за перемычек и многие другие. Традиционно серьезный подход к состоянию дегазации в бассейне привел к тому, что эффективность дегазации на шахтах бассейна стабильно находится на высоком уровне.

В Карагандинском угольном бассейне накоплен уникальный опыт концентрации работ по дега­зации в управлении «Спецшахтомонтаждегазация» (УСШМД), которое было создано в 1970 г. и предназначалось для выполнения и научно-практического обоснования параметров дегазационных работ. Благодаря технически грамотной инженерной политике в практику работы шахт была введена комплексная дегазация подготавливаемых к разработке угольных пластов и выемочных участков, эффективность которой достигает 60-80 %.

Работы по заблаговременной дегазационной подготовке (ЗДП) шахтных полей с использованием скважин с поверхности начались в Карагандинском бассейне в 1963 г., и с тех пор по этой технологии были дегазированы угольные пласты более чем на 10 шахтных полях бассейна (№ 22 — им. 50 ЛОР, им. Костенко, «Саранская», «Сокурская», Чурубай-Нуринская, им. Калинина, им. Ленина, «Казах­станская» и др.). Накопился большой технологический опыт обработки углегазоносного массива бо­лее чем на 150 скважинах.

Целесообразность проведения ЗДП не всегда была очевидна. На многих шахтах других бассей­нов она не очевидна и сегодня. В первую очередь это связано с достаточно большими капиталовло­жениями, которые могут окупиться лишь через 3-5-10 и более лет. Кроме того, вызывала сомнение надежность достижения необходимой эффективности. Это связано с тем, что скважины по экономи­ческим соображениям бурятся на расстоянии 250-300 м друг от друга и между ними могут оставаться необработанные и, следовательно, недегазированные участки пласта. Особенно опасно это с позиций обеспечения выбросоопасности.

В настоящее время на эти вопросы в Карагандинском угольном бассейне получены определенно положительные ответы.

Приоритетные направления решения проблем извлечения и использования метана угольных шахт Карагандинского бассейна

Проведенное нами исследование показывает, что в перспективе решение проблем извлечения и использования метана шахт УД АО «АрселорМиттал Темиртау» возможно следующими организаци­онными путями:

• отбор и ранжирование шахт по газообильности для обеспечения этапности ввода единого тех­нологического процесса добычи и использования угольного метана;
• разработка по каждой шахте инвестиционных проектов извлечения и использования метана с ориентацией на окупаемость затрат не более чем в 2-3 года. Разработка бизнес-планов при­менения единой технологии извлечения и использования метана с целью привлечения различ­ных источников к финансированию работ;
• создание специализированных, с новыми рабочими местами хозрасчетных структур, обеспечи­вающих проектирование и выполнение работ по всему циклу извлечения и коммерческого ис­пользования шахтного метана;
• выполнение по единому плану и под единым научным руководством комплекса НИОКР в об­ласти совершенствования извлечения и использования метана на шахтах, а также работ пер­спективного характера по извлечению метана из угольных пластов и его транспортировке до мест потребления, отдавая предпочтение предприятиям вблизи шахт.

Ориентировочные сроки реализации проектов составят от 2 до 5 лет. При этом надо иметь в ви­ду, что «Национальная стратегия устойчивой энергетики будущего Казахстана до 2050 года» призва­на вывести энергетику страны на уровень поставщика энергии в страны евразийского содружества, используя огромные запасы традиционных и нетрадиционных энергоносителей и выгодное геогра­фическое положение. В свете реализации данной Программы и Стратегии «Казахстан-2050» учеными КазНАЕН предложен ряд программ по развитию технологий использования нетрадиционных источ­ников энергии — метана угольных пластов, горючих сланцев и других [7; 4].

В частности, примером может служить реализуемый проект «Метан Караганды» с разработкой технологических регламентов бурения вертикальной скважины, переходящей в наклонно-горизонтальную, на Талдыкудукском участке Карагандинского угольного бассейна. Учеными Каз-НАЕН совместно с ТОО «ТалдыкудукГАЗ» получен первый опытный газ уже по новой технологии и совместно с Министерством энергетики РК разработана «дорожная карта» по разведке и добыче ме­тана Карагандинского угольного бассейна.

На угольном месторождении «Сарыадыр» Ерейментауского района Акмолинской области уче­ные КазНАЕН совместно с ТОО «Институт химии угля и технологии» и ТОО «ОН-ОЛЖА» строят опытно-промышленный комплекс по переработке угля, его газификации. Здесь также планируется создание опытно-промышленных участков по брикетированию угольной пыли, производству гуматов калия, выработке электрической и тепловой энергии, биогаза, синтезу дизельного топлива по Фишеру-Тропшу, получению сплавов металлов из углей Казахстана. На этой площадке будет отработана тех­нология газификации угля для ТЭЦ Караганды, Астаны и других крупных городов страны. 

Список литературы

1. Ютяев Е.П. Обеспечение безопасности при интенсивной разработке пластов на шахтах ОАО «СУЭК — Кузбасс» // Горная промышленность. — 2015. — № 1 (119). — С. 18-22.
2. Голицын М.В., Макарова Е.Ю., Пронина Н.В. Методика поисков и разведки угольных месторождений: Учеб. пособие. — М.: КДУ, 2009. — 132 с.
3. Каренов Р.С. Приоритеты стратегии индустриально-инновационного развития горнодобывающей промышленности Казахстана: Монография. — Астана: Изд-во КазУЭФМТ, 2010. — 539 с.
4. Каренов Р.С. Эколого-экономическая и социальная эффективность геотехнологических методов добычи полезных ископаемых: Монография. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2011. — 366 с.
5. Агеев Н.П., Агеев П.Г., Десяткин А.С., Елсуков Г.А. Технология плазменно-импульсного воздействия — нетрадиционный подход к дегазации угольных пластов // Горная промышленность. — 2015. — № 1 (119). — С. 28-33.
6. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Презент Г.М., Баймухаметов С.К. Угольный метан — некоторые проблемы и направления их решения // Уголь. — 2003. — № 12. — С. 43-48.
7. БектургановН. Глобальным вызовам — нестандартный ответ // Казахстанская правда. — 2015. — 18 апр. — С. 4.