Автор: Е.А, Воробьев, Н.А.Николенко, А.К. Чудовская

Название статьи: Взаимозависимость интенсификации добычи метана с экологической обстановкой региона

Источник: Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету № 67 (90), ЛНАУ Луганськ 2006

Дегазация угольных пластов и использование шахтного метана в на­стоящее время является одной из актуальных проблем разрабатываемых Угледобывающими странами. Решение этой проблемы осуществляется в следующих основных направлениях: обеспечение безопасности ведениягорных работ, снижение себестоимости угля путем повышения нагрузки на забой, использование метана как альтернативного вида топлива, улучше­ния экологической ситуации в угледобывающих регионах.

Наиболее перспективным источником угольного метана существен­но влияющим на структуру топливно-энергетического комплекса восточ­ных районов, являются газоугольные месторождения Донецкого бассейна. Ресурсы метана в угольных пластах, залегающих на глубине до 1800 м по одной из предварительных оценок превышают 1600млрд. м3 I1/. Данные представленные разными авторами отличаются ввиду отсутствия единой методики подсчета ресурсов угольною метана. По данным О.Е. Иванцова и др. /3/ реальные ресурсы углево дородных газов в угольных пластах и про-пластках Донбасса составляют 645,3 млрд. м, в том числе на участках раз­ведки 352,6 млрд м3 на шахтных полях 292.7 млрд м3 промышленные запа­сы, т.е. те, извлечение которых потенциально возможно- составляют 268 млрд м3 или 40%.

Принимая во внимание, что на каждый рабочий угольный пласт при­ходится в геологическом разрезе 3-4 и более пластов и пропластков некон­диционной мощности, а в сумме их мощность равна или превышает мощ­ность промыслового пласта становится ясно, что лишь в угольных пластам Донецкого бассейна содержится около 1 трлн. м3 метана. Кроме того, есть основание утверждать, что углевмешающие породы аккумулируют и со­держат в 1.5-2 раза больше углеводородных газов, чем во всех угольных пластах, это значит, что в породах заключено не менее 1.5-2 трлн. м3 газа. Поэтому следует ориентироваться при определении объемов добычи мета­на на величины общих объемов его ресурсов порядка 3-3,5 трлн, м3 т.к. именно эти объемы признаны реальными для добычи.

Украинские ученые и производственники накопили значительный опыт в области разведки и оценки ресурсов метана. Результаты научных исследований и практическое использование разработанных различных методов дегазации позволяет рассчитывать на перспективность успешного использования потенциала отрасли добычи и утилизации угольного метана.

Вместе с тем Украина может использовать свои ресурсы только при наличии соответствующей законодательной и нормативной базы. Начиная с 1994 года был разработан ряд проектов, а также принят ряд указов и постановлений, направленных на реализацию программы промышленной до­бычи метана из угольных месторождений Донбасса. В 1998 году для реше­ния па государственном уровне указанных проблем был создан «Центр альтернативных видов топлива», учредителями которого стали Нацио­нальная академия наук Украины и Министерство угольной промышленности. Кроме участия в разработке законодательных актов, одним из направлений работы центра является участие в создании ряда пилотных проектов, представляющих разведку добычу и утилизацию угольного метана.

Проектом «ДонецкГРГП ГОЛО», НПП «Донецкугледегазация» и др. были определены пять участков Донецкого бассейна, наиболее пригодных для добычи угольного метана. Их площади и ресурсы представлены в табл. 1.

Несмотря па насущную проблему извлечения и утилизации метана из угольных пластов, в настоящее время их дегазация и Донецком бассейне осуществляется недостаточно. Только на 66 шахтах из 180 имеются действующие дегазационные системы. Из 200 млн. м3 газа, извлекаемого из дегазационных скважин, утилизируется в шахтных котельных лишь 80 млн. м3.

Таблица 1

Добыча и использование угольного метана связаны не только с мате­риальными возможностями шахт, но обусловлены фильтрационными свойствами угольных пластов, а также физическими свойствами метановоздушной смеси.

Все применяемые способы извлечения метана из угольных пластов обычно направлены на борьбу с метаном без учета энергетической и тех­нологической его ценности. Основное количество выбрасывается в атмосферу в виде низкоконцентрированной смеси с воздухом, получаемой в ре­зультате проветривания шахт или никондиционных (менее 25 %) мстано-воздушных смесей выдаваемых системой дегазации. В 1997 году в Донбассе извлечено 2428 млн. м3 метана, в том числе 1970 млн. м  вентиляционными установками, остальной каптирован дегазационными системами из которого утилизировано 207 млн. м3 (18,4 % извлеченного), причем 5 млн. м (0.2 % извлеченного) получено из скважин, пробуренных с по-верхности. /4/

На 32 шахтах Донбасса с 1965 года проводились экспериментальные и опытно-промышленные работы по созданиию технологии техногенной и предварительной дегазации угольных месторождений через скважины, пробуренные с поверхности на глубины от 260 до 1500 м. Всего было пробурено 120 скважин. Применялась гидродинамическая обработка в режи­мах гидроразрыва и гидрорасчленения /4/. При предварительной дегазации участка «Южнодонбасскя № 12» из скважин в течение 5 лет извлечено свыше 17 млн, м3 метана, её эксплуатация продолжается. Газ отличается высоким содержанием горючих углеводородов из угольных пластов- 96-98 %, из песчаников - 9 1-93 %.

Утилизация кондиционного угольного метана осуществляется, в ос­новном, при сжигании в шахтных котельных и для отопления шахтных по-селков.

В последнее время появились предложения самообеспечения угледо­бывающих предприятий теплом и электрической энергией путем их до­оборудования газодизельгенераторными установками (ГДГУ), работаю­щими на шахтном метане.

Достаточно интенсивно, по сравнению с другими, ведутся работы по добыче и утилизации угольного метана на Арендном предприятии «Шахта| им. А.Ф. Засядько» /6/. На поверхности работают две вакуум-насосные ус-тановки, которые в значительной мере обеспечивают шахтные котельные метаном. С 1980 года применяется дегазация угольных плотов через сква-жины, пробуренные с поверхности, за 20 лет сооружены 45 скважин, и сей| час ежегодно бурится по 3-4. Объём добычи чистого метана составляет 2/2.5 млн, м3 в год, причем, околев 1 млн. м3 идет для заправки автотранс-i порта на газозаправочной станции - до 100 автомобилей ежесуточно. Ве-| дется поиск путей эффективного использования как альтернативного топлива остального метана, а также содержащегося в исходящей струе возду-ха.

Результаты многолетнего изучения свойств и физических процессов, происходящих в неразгруженных угольных пластах показывают что: - газоносные угольные пласты в нетронутом состоянии практически не­проницаемы;

1. в газоносных пластах около горных выработок и вокруг скважин образу­ются проницаемые зоны, фильтрационные параметры которых зависят от развития деформационных процессов в угле;
2. угольное вещество обладает способностью накапливать метан в различ­ных формах, при этом установлено, что газ, находящийся в свободном состоянии внутри пор, трещин и других дефектов сплошности угля составля­ет 2-12 %, а подавляющее его количество (90 % и более) находится в свя­занном с углем состоянии.

Неразгруженный от горного давления угольный пласт представляет природную пористую систему, которая имеет замкнутые, изолированные между собой поры и является газоносной, нефильтрующей средой. Раз­грузка такой среды от горного давления приводит к увеличению прони­цаемости, появлению трещин и объединению их в фильтрационные кана­лы, что, в свою очередь увеличивает количество десорбированного метана и газовыделению его в добычную скважину.

Другой проблемой добываемого угольного метана является его безо­пасная концентрация в газовоздушной смеси (концентрация метана от 25 % до 30 % - взрывоопасна). Использовать такую смесь для сжигания в ко­тельных невозможно, требуются дополнительные мероприятия для приве­дения её к нормативным показателям.

Нами разработаны способы интенснфикаци процесса дегазации угольных пластов путем применения гидродинамического воздействия че­рез скважины. Разработанный способ в корне отличается от применяемых в настоящее время гидроразрыва и гидрорасчленения.

Идея способа - инициирование управляемого гидродинамического явления на заданном участке газонасыщенною угольного пласта. Известно, что газодинамические явления возникают вследствие резкого изменения напряженного состояния угольного пласта и сопровождаются частичным или полным разрушениям угля и бурным выделением газа. Способ гидро­динамического воздействия предполагает нарушения механического и га­зового равновесия в системе «скважина - угольный пласт» путем осущест­вления циклическою знакопеременного изменения давления в небольшом диапазоне его перепадов: от 2 до 4 МПа, используя при этом как природ­ные, так и техногенные факторы развязывания газодинамических явлений.

Метод гидродинамического воздействия на газонасыщенные уголь­ные пласты через скважины, пробуренные как из забоя для пред­варительной дегазации, так и с поверхности для добычи газа, это комплекс операций, инициирующий газодинамическое явление, скорость развития которого ограничивается сечением скважины, а также регулируется по­средством специального оборудования.

Сущность процесса гидродинамического воздействия заключается в приложении к свободным поверхностям угольного пласта зна­копеременных нагрузок, создаваемых подачей в пласт рабочей жидкости под давлением с последующим его сбросом в системе «скважина -угольный пласт». Во время подачи рабочей жидкости в пласт открытые поры угля заполняются водой, при этом по каналам, превышающим разме­ры 10 см идет прямая фильтрация, а поры с меньшими размерами заполняются жидкостью посредством капиллярного поднятия и в дальнейшем эта вода в фильтрационном процессе не участвует, оставляя неподвижной и создавая значительное гидравлическое сопротивление обратному движе­нию жидкости и газа при сбросе давления в системе.

В момент сброса давления происходит резкое нарушение равновесия в системе. Жидкость и вытесняющий её газ движутся в сторону скважины, однако скорость изменения давления в системе значительно опережает скорость обратной фильтрации. Образовавшийся градиент давления от­крывает заполненный водой слой угля. Резкое падение давления в системе «скважина угольный пласт», а также образование при отрыве слоя угля но­вых поверхностей вызывает стремительную десорбцию газа, что в свою очередь, также способствует разрушению угля. Повторение циклов подъем-сброс давления в скважине, осуществляемых с помощью рабочей жид­кости, способствует нарастанию процессов разрушения угольного пласта и десорбции газа, вплоть до развития процесса, так называемого, «самопод­держивающегося разрушения», который, в сущности, является газодина­мическим явлением, управляемым задвижкой, которая позволяет регули­ровать выброс из скважины воды, разрушенного угля и газа.

Процесс разрушения угля и сопровождающей его десорбции газа продолжается до образования в пласте достаточного числа каналов, по ко­торым подаваемая рабочая жидкость может свободно двигаться, не созда­вая сопротивления необходимого для отрыва слоя угля от массива. По дос­тижении такого положения процесс гидродинамического разрушения зату­хает, внутри угольного массива образуется зона разупрочненного угля со значительной поверхностью обнажения, с которой десорбируется газ, при этом газовыдсление из скважины продолжается в течение длительного времени. Быстрая десорбция газа обусловливает его высокое давление на выходе из скважины, что позволяет проводить отбор газа без применения вакуумной установки. Это обстоятельство обеспечивает и высокую кон­центрацию добываемого из скважины метана, практически 100 %.

Способ гидродинамического воздействия был широко опробован как противовыбросное мероприятие перед вскрытием выбросоопасных уголь­ных пластов. Полученные статистические данные позволяют утверждать о высокой эффективности его использования для дегазации угольных пла­стов с целью добычи высококачественного угольного метана. Одним из основных аргументов в пользу использования гидродинамического воз­действия для добычи газа является весьма значительное повышение сред­ней скорости газовыделения, данные о котором представлены в таблице 2.

Сравнение средней скорости газовыделения с начальной, которая не превышает 0,27 м3 /час, показывает, что её увеличение достигает 1000 раз.

Применение гидродинамического воздействия для дегазации уголь­ных пластов возможно как через скважины, пробуренные из забоя с отбором газа дегазационной системой, так и из пробуренных с поверхности. Способ решает обе проблемы дегазации: значительное увеличение фильт­рационного объема массива (пористость в зоне влияния скважины составляет от 16 до 24 %), а также повышения объемов десорбции газа вследст­вие нарушения механического и газового

равновесия в системе «скважина - пласт» и образования обширной поверх­ности обнажения в результате разрушения угля внутри массива.

Таблица 2

В настоящее время ведутся работы на шахте им. Л.Ф. Засядько, по интенсификации дегазации угольных пластов с применением гид­родинамического воздействия. Первые результаты показывают, что при необходимой корректировке параметров воздействия, способ эффективен для значительного ускорения процесса дегазации.
Кроме того, проводятся работы на участке Северо- Родинский № 2 Красноармейского полигона по интенсификаци газовыделения из угольныз пластов скважинами, пробуренными с поверхности при использовании гидроимпульсного, гидродинамического и электроразрядного воздействий.
Таким образом, новые нетрадицноттые способы воздействия помогут решить насущные проблемы добычи альтернативного вида  топ­лива, безопасности горных работ и резкого уменьшения загрязнения окру­жающей среды.Выводы:
Интенсификация добычи метана напрямую связана с улучшением экологической обстановки угольных регионов, так как при выемке угля из предварительно дегазированных платов уменьшается выброс метана с вен­тиляционной струей на поверхность. Добытый метан используется для промышленных целей. Наиболее прогрессивным методом добычи метана является использование гидродинамического способа через бурение сква­жин.
Литература

1. В.В.Касьянов, Ст.. Ламберт. Перспективы развития метановой отрасли в Украи­не // Геотехническая механика. - 2000 . - №17. - С. 6-11
2. О.А. Куш, В.В.Кирюков. Перспективы освоения газоугольных месторождений Донбасса //Геотехническая механика. - 2000 № 17. - С.23-29
3. О.Е.Івіанців, С.О.лизун, І.В.Дудок, П.М.Явний. Ресурси метану вугільних родо-вищ Донецького басейну// Геотехническая механика. - 2000 . - Xsl7. - С. 21-25.
4. В.В.Копарев. Метан угольных месторождений - пора заняться им всерьез.// Уголь Украины. - 2000, № 17, С 3-7
5. А.Ф.Булат, И.Ф. Чемериц. Технико-экономические аспекты утилизации шахно-го метана в газодизельных установках. //' Геотехническая механика. - 2000 №17.. - С. 19-23
6. В.С.Грязнов. Арендное предприятие «Шахта им.Засядько» // Уголь Украины. 2001 .- № 8. - С. 6-8
7. К.К.Софийский, Э.И.Мучник, Е.А.Воробьев. Перспективы применения гидро­динамического воздействия на угольные пласты.// Уголь Украины. -1997,- С.36-37