Экономическая эффективность предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов скважинами

Технологическое и экономическое совершенствование подземной добычи угля, базирующееся на техническом прогрессе, призвано обеспечить, наряду с ростом производительности труда, повы­шение безопасности горных работ и снижение вредной нагрузки на окружающую среду. Перспектив­ным направлением реализации этих задач является комплексный подход к разработке метаноносных угольных месторождений (особенно на больших глубинах) — извлечение энергоносителя в твердом и газообразном состоянии, попутная промышленная добыча метана.

Горно-технические принципы должны основываться на:

— применении рациональных схем вскрытия и подготовки шахтных полей, обеспечивающих эф­фективное проветривание горных выработок и комплексную дегазацию;

— максимальной концентрации и интенсификации горных работ путем внедрения автоматизиро­ванных систем управления;

— реализации новых технических решений и научной организации труда и производства.

Анализ работы шахт Карагандинского и Кузнецкого (Российская Федерация, РФ) угольных бас­сейнов [1] - [5] показывает, что сегодня основным фактором, определяющим темпы ведения горно­подготовительных и очистных работ, является газоносность пласта. При использовании высокопро­изводительной техники на основных процессах угледобычи необходимо обоснование технологиче­ских схем и параметров дегазации отрабатываемых пластов. Технологические схемы ведения дегаза­ционных мероприятий, проводимых в период эксплуатации горизонта, с их описанием и анализом приведены в [6] - [8].

Результаты ведения дегазационных мероприятий путем бурения скважин и каптажа метана с дневной поверхности или со сближенных отрабатываемых пластов при моделировании параметров дегазации в период вскрытия, подготовки и отработки выемочных полей могут рассматриваться в качестве исходной информации при обосновании параметров технологических схем шахт. Рассмот­рим накопленный опыт дегазации угольных пластов и использования шахтного метана в Российской Федерации и Казахстане (такой сопоставительный анализ весьма интересен).

По мнению российских специалистов [9; 10], содержащийся в угольных месторождениях метан является одним из видов экологически чистых минерально-сырьевых ресурсов и его целесообразно из­влекать из углегазовых месторождений попутно с добычей каменного угля. На сегодняшний день в РФ 77 % общего числа шахт отнесены к опасным по метану, из них 48 % являются наиболее метанообиль­ными и 27 % шахт работают с дегазацией угольных пластов и выработанных пространств. Дегазацион­ными системами шахт извлекается 475 м³/мин метана, что составляет 25 % выделяющегося метана в шахтах РФ, т.е. третья его часть в шахтах с дегазацией. Объемы использования каптируемого метана не превышают 40 млн. м³ в год, а в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 1,25-1,3 млрд. м³ чистого метана, загрязняя воздушное пространство весьма стойким парниковым газом [10].

Ресурсы угольного метана, заключенные в пластах угля на действующих шахтных полях, со­ставляют 260 млрд. м³ метана, а в промышленных запасах угля — 160 млрд. м³. Объемы метана, воз­можные для извлечения с помощью существующей в России технологии ведения дегазационных ра­бот, составляют 40-65 млрд. м³; объемы извлечения метана с применением дегазации на обычных участках — 250 млн. м³/год. В перспективе в Кузбассе возможно трехкратное, а в Воркуте — дву- кратное увеличение съема метана средствами дегазации, что позволит довести коэффициент извлече­ния метана в шахтах с дегазацией до 0,35-0,4 в Кузбассе и до 0,45-0,5 в Воркуте [10].

На 82 действующих газообильных шахтах в работе находятся 193 выемочных участка при сум­марной их метанообильности 1400-1600 м³/мин: с метановыделением менее 3 м³/мин — 129 участ­ков, от 3 до 10 м³/мин — 39, от 10 до 20 м³/мин — 14 и свыше 20 м³/мин — 11 участков. Дегазация применяется на 30 участках — совместно с газоотсосом, осуществляемым вентиляторами типа ВМЦГ.

Дебит каптированного метана на выемочных участках составляет 365 м³/мин, из которых 237 м³/мин метана извлекается на шахтах Воркуты и 100 м³/мин метана — в Кузбассе. Газоотсасы­вающими вентиляторными установками отводится 398 м³/мин метана, в том числе в Кузбассе — 395 м³/мин. Общая интенсивность извлечения метана на выемочных участках средствами дегазации и газоотсоса составляет 760 м³/мин, или 54 % общей их метанообильности. Извлечение кондиционных по метану газовоздушных смесей, пригодных для использования на шахтах Воркуты, способствует утилизации 38,7 м³/мин метана, что составляет 27 % каптированного метана. Использование экологи­чески чистого топлива создает благоприятные условия труда и улучшает экологию в регионе. Метан в Кузбассе используется пока только в опытном порядке.

Каптируемый метан используется в основном для получения тепла при сжигании метановоз­душных смесей в шахтных котельных. Незначительный опыт использования каптируемого метана для выработки электроэнергии с помощью установок «Катерпиллар» накоплен на шахтах «Северная» (Воркута) и «Чертинская» (Кузбасс).

В Российской Федерации опыта крупномасштабной промысловой добычи метана на углегазовых месторождениях пока нет. Однако существует программа «Метан Кузбасса», в соответствии с кото­рой предполагается организовать промысловую добычу метана из угольных пластов как самостоя­тельного полезного ископаемого. При этом роль главных коллекторов метана отводится угленосным участкам за пределами горных отводов ныне действующих в Кузбассе шахт. Однако учитывая низ­кую природную газопроницаемость и газоотдачу неразгруженных угольных пластов, весьма сомни­тельна схожесть месторождений с уникальным с точки зрения газоотдачи бассейном Сан-Хуан в США, где осуществлена промысловая добыча метана. При отсутствии опыта промысловой добычи метана с использованием отечественных технологий добыча метана из неразгруженных угольных пластов через скважины, пробуренные с земной поверхности, без эффективных средств интенсифи­кации газоотдачи экологически будет нецелесообразной вследствие низкой их природной газоотдачи. Более экономичным следует считать внедрение в шахтах способов и средств извлечения кондицион­ных по метану газовоздушных смесей, пригодных для утилизации.

Шахтный метан, поступающий в атмосферу Земли, участвует в механизме опасного потепления ее климата, который является ценным энергоносителем для собственной энергетики угольных шахт. Наиболее выгодной формой использования шахтного метана действующих и закрытых шахт является система совместного генерирования электроэнергии тепла с помощью газомоторных и газодизельных силовых установок мощностью 200, 1000 и 2500 кВт, разработанных ННЦ ГП — ИГД им. А.А.Ско- чинского.

Значительная часть шахтного метана может быть каптирована, энергетически использована и на 90 % нейтрализована по парниковому эффекту. При этом может быть получено с использованием газомоторных ТЭЦ примерно 340 МВт электрической и 340 Гкал/ч тепловой мощности [10].

Некоторый опыт разработки и использования таких шахтных ТЭЦ в угольной отрасли уже есть. В связи с этим угольная отрасль России заинтересована в сотрудничестве с английскими фирмами в области совершенствования техники и технологии извлечения и энергетического использования шахтного метана, а также в поставке технических средств, которые обеспечивали бы рентабельность шахтной энергетики, основанной на использовании топливного потенциала метана и одновременно нейтрализующей его парниковый эффект.

Рассмотрим теперь проблему обеспечения метанобезопасности на примере Карагандинского угольного бассейна. На шахтах бассейна применялись и применяются в настоящее время более 30 различных способов и схем дегазации. Это и 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 (некоторые авторы используют термин «предварительной») дегаза­ционной подготовке (ЗДП) [11; 12] 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. 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, что 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. Основной объем угледобычи здесь приходится на Угольный департамент АО «Миттал Стил Темиртау», в собственность которого в 1996 г. перешли 15 из 26 угольных шахт. При этом были реализованы мероприятия по концентрации горного производства. Путем объедине­ния шахтного фонда количество шахт в настоящее время сокращено до 8. Угольным департаментом АО «Миттал Стил Темиртау» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводитель­ных очистных забоев с переходом к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ технологическому процессу «шахта-лава».

Среднемесячная нагрузка на очистной забой на шахтах постоянно и существенно возрастает — на шахте «Саранская» она достигла 220 тыс. т в месяц (комбайн SL-500, Германия, комплекс КМ- 144), на шахте «Тентекская» — 412 тыс. т в месяц (комбайн SL-300, комплекс 2 УКП — 70).

В этих условиях резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими технико-экономическими пока­зателями. Но даже при эффективности комплексной дегазации в 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м³/мин и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта (табл. 1).

Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется глубокой дегазацией выработанного пространства. Однако с ростом нагрузки на очи-

стной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушае­мого в забое угля. Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 4-5 тыс. т/сут возможно только за счет извлечения метана непосредственно из разраба­тываемого угольного пласта.

Пластовая дегазация угольного пласта из подземных выработок имеет определенные ограниче­ния по эффективности, что связано с определенным временем функционирования пластовых сква­жин, снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения мощных активных воздействий на толщу из-за близости горных выработок к объекту де­газации.

Проведенная оценка необходимой величины снижения газоносности показала, что при газонос­ности пласта 20-25 м³/т на глубине свыше 500 м и при нагрузках на лаву свыше 4000-5000 т/сут не­обходим дополнительный способ дегазации, которым является заблаговременная дегазационная под­готовка угольных пластов, проводимая за несколько лет до начала их отработки (табл. 2).

Из таблицы 2 видно, что для обеспечения суточной нагрузки на лаву 4000, 5000, 6000 т требует­ся дополнительное снижение газоносности пласта на 3; 4,8 и 6 м³/т соответственно.

Опыт освоения скважин ЗДП с использованием активных воздействий показывает, что данная технология может обеспечить 50 % природной газоносности и извлечение на поверхность 6 — 9 м³/т. Общее снижение газовыделения в горные выработки может составить 11-12 м³/т с учетом специаль­ных дополнительных воздействий (например, гидровоздействие в режиме фильтрации на последней стадии работ), обеспечивающих повышение остаточной газоносности угля за счет блокирования ме­тана в мельчайших порах и трещинах пласта.

Достоверно доказать экономическую обоснованность и состоятельность заблаговременной дега­зационной подготовки позволили последние работы на поле шахты им. Ленина в Карагандинском угольном бассейне, где скважины с поверхности функционировали более 8 лет и продолжают функ­ционировать по извлечению метана из особо выбросоопасного мощного пласта Д6. За 8 лет из 14 скважин было извлечено более 20 млн. м³ 100 %-ного метана, что позволило снизить газоносность пласта на 6-9 м³/т.

Экономическая эффективность этих работ определилась следующими факторами:

1)    сокращением проведения на 2000 м парных бремсбергов по восточному крылу пласта Д₆, только на 50 % обработанных ЗДП запасов, стоимостью 4 млн. долл. США;

2)  ростом добычи угля в зонах ЗДП. По существующей методике извлечение средствами дегаза­ции 1 млн. м³ метана обеспечивает дополнительную добычу 22,5 тыс. т угля. Следовательно, заблаго­временный каптаж 20 млн. м³ газа обеспечивает дополнительную добычу 450 тыс. т угля, что даже при 25 %-ном вкладе дегазации приносит 3 млн. долл. США;

3)   из скважин ЗДП начата утилизация метана на обогревателе нового клетьевого ствола, что в трех отопительных сезонах обеспечило сжигание 1600 тыс. м³ газа, эквивалентного 3 тыс. т угля стоимостью 1 млн. долл. США.

Общий экономический эффект составляет только по этим 3 факторам 8 млн. долл. При затратах на поверхностный комплекс из 14 скважин ЗДП в настоящих ценах 1 млн. долл. экономическая эф­фективность применения проведенных работ по заблаговременному извлечению метана на шахте им. Ленина составляет 7 млн. долл. [13].

Исследованиями вышеуказанных авторов выявлено, что эффективность предварительной (забла­говременной) дегазации разрабатываемых пластов скважинами зависит от природной газопроницае­мости угольных пластов, их способности к газоотдаче и от технических параметров дегазации (длины скважин, расстояния между ними и длительности периода их активной работы). При предваритель­ной дегазации угольного пласта в зонах действия скважин образуются дегазированные участки с по­ниженной метаноносностью угля.

Исследованиями закономерностей распространения дегазирующего влияния пластовых дегаза­ционных скважин, проведенными на шахтах Печорского и Карагандинского бассейнов, установлено, что при полном периоде газового дренирования угольного пласта зависимость остаточной метано- носности угля от расстояния до скважины с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть описана линейным уравнением (см. рис.).

В случаях, когда имеет место наложение зон дренирования пласта скважинами, количество ме­тана, выделившегося с 1 м полезной длины скважины за полный период ее работы, составит

где 1_С — половина фактического расстояния между скважинами (фактический радиус влияния сква­жины), м.

Дегазация разрабатываемых пластов скважинами приводит к равномерному снижению метано- обильности в очистных забоях в тех случаях, когда при принятом расстоянии между ними пласт пол­ностью (или почти полностью) подвергнут их дренирующему влиянию, т.е. если 1_С<1_др. Это условие необходимо соблюдать при применении предварительной дегазации. Эффективность предваритель­ной дегазации разрабатываемого пласта определяется как отношение каптированного на выемочном участке метана к общему его количеству, которое выделилось бы из разрабатываемого пласта без применения дегазации:

       (3)

где Sn — длина дегазируемого выемочного участка, поля, м; В — длина лавы, м; х_в — метаноносность выдаваемого из лавы угля, м³/т.

Зависимость эффективности предварительной дегазации пласта скважинами от его природных свойств и применяемых параметров выражается уравнениями

При столбовых системах разработки запасы метана в пределах подготовленного участка снижаются по отношению к принятому в уравнениях (4) и (5) за счет частичного дренирования пласта пластовыми выработками. В этих случаях с учетом распространения дренирующего воздействия скважины впереди забоя для увеличения точности расчетов следует принимать В=Lскв.При уменьшении расстояния между скважинами коэффициент эффективности дегазации приближается к единице. Однако рост эффективности дегазации за счет плотности бурения скважин связан со значительными затратами, поэтому вопрос о ее целесообразности может быть решен только
путем сравнения расходов на дегазацию пласта и экономического эффекта дегазации. Метанообильность очистного забоя с учетом дегазации разрабатываемого и смежных угольных пластов составляет

где gn.л, gc — метанообильность, определяемая соответственно выделением метана из разрабатываемого пласта и из смежных пластов, м3/т; Кс — коэффициент эффективности дегазации смежных угольных пластов.
Если по техническим условиям в лаву можно подать лишь количество воздуха Qвозд, то необходимая эффективность предварительной дегазации разрабатываемого пласта для обеспечения заданной нагрузки на забой Адег состави

Из формулы (7) следует, что необходимая эффективность дегазации пласта зависит от метанообильности участка, эффективности дегазации смежных пластов (или выработанных пространств),подачи воздуха и нагрузки на лаву. Стоимость каптажа 1 м3 метана при дегазации спутников и выработанных пространств обычно значительно ниже стоимости каптажа метана из разрабатываемого пласта, дегазацию которого следует применять в тех случаях, когда возможности вентиляции по раз-
жижению метана до допустимых концентраций исчерпаны, а удельный вес его выделения в газовом балансе выемочного участка значителен. Предварительную пластовую дегазацию целесообразно применять при дебите метана более 2,0–2,5 м3/мин на тонких пластах и более 3,0–3,5 м3/мин — на мощных.

Затраты на удаление 1 м³ метана при помощи дегазации на шахтах составляют: при каптаже ме­тана из смежных пластов — 1,4-2,9 тыс. тенге; при одновременном применении дегазации смежных пластов и предварительной дегазации — 2,8-3,3 тыс. тенге; при применении только предварительной дегазации — 3,4-4,0 тыс. тенге.

После определения из уравнения (7) потребной эффективности дегазации К^н_пд с помощью фор­мулы (5) находятся значение 1_с и расстояние между скважинами 21_с. Однако рассчитанные таким об­разом эффективность дегазации и ее параметры могут оказаться экономически неэффективными, по­скольку с увеличением плотности бурения скважин расходы на дегазацию возрастают непропорцио­нально возможной нагрузке на лаву.

Эффективность дегазации при отработке предварительно дегазированного участка можно опре­делить из выражения

                        (8)

где А — возможная нагрузка на лаву без применения дегазации, т/сутки; C" — величина постоянных расходов на 1 т угля, добытого в данном очистном забое, тыс. тенге.

Возможную нагрузку на забой при применении предварительной дегазации разрабатываемого пласта можно определить из формулы (7). Тогда с учетом данных формулы (4) уравнение для опре­деления экономического эффекта можно записать в виде

 Расходы на дегазацию (без учета экономического эффекта от использования скважин для нагне­тания воды) можно зависать в виде

         (10)