Источник: Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю/ Донецьк: ДонНТУ, 2005. – №1 – С.82-86
Перспектива развития Донбасса - основного угольного бассейна Украины, неразрывно связана с освоением глубоких горизонтов. В настоящее время средняя глубина ведения горных работ на шахтах Донбасса превысила 750 м, а существующие темпы разработки способствуют ее ежегодному понижении на 10-15 м. Горные работы на шахтах, дающих основную добычу угля по отрасли, достигли отметок 950-1000 м, а отдельные угольные пласты разрабатываются на глубинах 1200-1400 м.
Хорошо известно, что с увеличением глубины ухудшаются горно-геологические условия разработки угольных пластов, повышается горное давление, температура, метанообильность, снижается устойчи¬вость горных выработок, растет количество газодинамических явлени
Но не только увеличение глубины осложняет ведение горных работ. Разработка, в пределах горного отвода шахты двух, трех и более угольных пластов, обуславливает постоянное изменение напряженно-деформированного состояния горного массива и, как следствие, развитие дефектности в породах, изменение их физико-механических свойств, а также давления и состава насыщающих флюидов. Развитие горных работ, практически на всех шахтах бассейна, осуществляется в горной среде, информация о которой базируется на геологоразведочных данных, как правило, тридцати- сорокалетней давности, когда массив еще не был нарушен горными работами и, по сути, это был массив с другими свойствами и характеристиками.
Необходимость обеспечения стабильной и безопасной работы шахт в сложных горно-геологических условиях изменила стратегию проведения геолого¬разведочных работ. Если в первые послевоенные десятилетия интенсивно развивались работы по поиску и разведке месторождений угля для закладки и строительства новых шахт, то в последующие годы строительство новых шахт резко сократилось, а в настоящее время, развитие бассейна связано, в основном, с интенсификацией работ на действующих шахтах. Изменился и баланс геологоразведочных работ, основной объем которых, в настоящее время, (хотя и небольшой) составляет доразведка. Большое внимание при проведении этого вида работ уделяется прогнозу горно-геологических условий. Так, по результатам НИР проведенных нашим Институтом совместно с отраслевыми институтами и организациями, разрабатываются и вводятся в практику ведения работ новые нормативные документы: с ноября 2005 г. приказом Минуглепрома утвержден отраслевой стандарт «Методика прогнозирования и определение параметров зон скопления метана в ненарушенном углепородном массиве», в этом году подготавливается к утверждению отраслевой стандарт «Методика прогнозирования зон повышенной газонасыщенности и определения параметров техногенных скоплений метана в нарушенном углепородном массиве». Совместно с МакНИИ начаты работы по апробации способа опережающей дегазации в различных горно-геологических условиях.
Ведение горных работ на больших глубинах в предельно напряженном горном массиве приводит к возникновению целого ряда проблем, осложняющих горно-геологические условия разработки. Связаны они, как правило, с интенсивным газовыделением, внезапными выбросами угля, пород и raзa, горными ударами, самовозгоранием угля, пылевыдедением, суфлярами, внезапными прорывами воды, плывунами, коржением, куполением, внезапным обрушением, оседанием пород кровли, пучением, внезапным отжимом угля, сотрясанием, толчками и другими явлениями.
Изучением особенностей горного массива, нарушенного горными выработками, занимается горная геология
Успешное решение проблем горной геологии должно базироваться на результатах теоретических разработок как по известным ранее, так и по совершенно новым, самостоятельным и перспективным научным направлениям горной геологии.
К новым направлениям горной геологии можно отнести - горную геодинамику, горную геохимию, горную геотермию, горную геохронологию, горную геоэволюцию, горную геотектонику
В решении проблем горной геологии безусловно должны использоваться результаты, полученные в области шахтгой геофизики, горной гидрогеологии, горной экологии.
Развитие шахтной геофизики, в частности сейсмоакустического зондирования, которое применяется сейчас для прогноза выбросоопасности при разработке выбросоопасных угольных пластов, должно быть направлено на решение проблемы сейсмоакустического мониторинга всего разрабатываемого горного массива, с организацией на шахтном поле многоуровневой и многоканальной приемной и передаточной сети.
Важными, о позиций комплексной оценки и прогноза горно-геологических условий, являются задачи исследования закономерностей изменения геотермических, гидрогеологических и газодинамических характеристик массива, нарушенного горными работами, а с позиций горной геоэкологии - задачи петролого-минералогических и структурных исследований новых минералообразований, разработки методов датировки неогеохронологических процессов, изучение характера биохимических изменений геологической среды.
Решение вышеперечисленных задач горной геологии позволит повысить достоверность оценки, горно-геологических условий, правильно прогнозировать характер их изменения, осуществлять выбор наиболее оптимальных в данных условиях технологий разработки.
Именно с этих позиций в Институте геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины разрабатывается новая «Технология планирования развития горных работ», которая позволит на основе знаний динамики изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород во времени, с учетом основных горно-геологических, горнотехнических и производственных условий и факторов ведения горных работ, решать горнотехнические задачи. Данная технология учитывает более 30 факторов, определяющих динамику изменения свойств и состояния массива горных пород во времени и, соответственно, особенности ведения горных работ. К числу решаемых горнотехнических задач с использованием технологии относятся следующие:
— планирование развития горных работ на одном или нескольких угольных пластах с учетом их взаимного влияния друг на друга;
— определение параметров очистных выработок и параметров выемки угля;
— определение параметров подготовительных выработок;
— определение параметров дегазационных работ при подземной скважинной дегазации;
— определение сдвижения дневной поверхности.
Технология успешно апробирована на угледобывающих предприятиях ОАО «Павлоградуголь» и ГП «Свердловантрацит».
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 промышленная добыча метана показывает, что извлечение метана возможно и целесообразно на следующих стадиях разработки угольных месторождений.
1. До начала выемки угля газ можно добывать только с применением различных способов, стимулирующих его десорбцию (гидроразрывы пластов, направленное мультилатеральное бурение скважин, откачка воды). Такой газ в международной практике называется CBM - coal bed methane - метан угольных пластов, так как в его составе содержится более 90 % метана.
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 виработки 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.
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».
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 накопленный опыт утилизации метана угольных шахт, который указывает на экономическую эффективность работ по освоению метана угольных шахт .
По мнению специалистов НАН Украины, концепция эффективной дегазации с учетом специфики условий разработки угольных месторождений нашей страны должна базироваться на организационном распределении во времени и пространстве процессов добычи угля и процессов дегазации при инвариантном комплексном способе дегазации, параметры которого оптимизируются техническими и экономическими факторами.
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, бурение длинных направленных скважин, 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, а использование созданного в Институте электросварки НАН Украины породоразрушающего инструмента позволяет одним долотом проходить свыше 1000 погонных метров при бурении подземных дегазационных скважин. По своим технико-технологическим показателям новый инструмент более чем в три раза превышает лучшие зарубежные аналоги.
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, Англи и некоторых других странах. В Украине отсутствует опыт добычи и использования метана закрытых шахт, однако опыт таких работ, накопленный за границей, подтверждает перспективность и экономическую эффективность добычи и утилизаци 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.
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.