Комплексне використання надр
Донецький басейн є найбільшим промисловим регіоном України з високим рівнем концентрації вугільної, металургійної та хімічної промисловостей, що робить його одним з найнебезпечніших регіонів України та Європи з точки зору забруднення навколишнього середовища. Основний внесок за викидами метану в атмосферу вносить вугільна промисловість [1]. Розрахункові запаси метану у вугленосних родовищах складають від 12 до 25 трильйонів м3.
Щорічно мільйони кубічних метрів метану надходять в атмосферу з вугільних шахт Донбасу. Метан, присутній у великих обсягах в пористій структурі вугілля, вивільняється в результаті гірничих робіт, накопичується у виробках і потім викидається в атмосферу, що сприяє глобальному її потеплінню, оскільки метан – це другий за значимістю парниковий газ, регламентований Кіотським протоколом.
У світовій практиці розрізняють такі види дегазації вугільних родовищ: завчасна, вироблена на перспективних ділянках до проектування і будівництва шахт, вона дозволяє витягти до 15…25% газу, що виділяється при відпрацюванні шахтного поля; попередня, – в період будівництва шахти, – 10…20%; супутня, – при експлуатації шахти, – 5…25% (крім того, в цей період вентиляцією видаляють 20…50% міститься в вугленосної товщі метану ; наступна, – із закритих шахт, – 15…45% Як випливає з наведених даних, основну частку газу витягують з родовищ при їх розробці і після закриття шахт.
Взаємодія шахти з навколишнім середовищем представлено на (рис. 1).
Рисунок 1 – Умовна схема взаємодії гірничодобувного підприємства з навколишнім середовищем
(анімація: 8 кадрів, 5 циклів повторення, 53,2 кілобайт)
У магістерській роботі був здійснений вибір технічних рішень, спрямованих на скорочення викидів вуглеводнів з гірничих виробок, а також витрачання традиційних видів палива або заміну їх альтернативними видами енергії, застосування яких дозволить поліпшити екологічну обстановку на прилеглій до шахти території і знизити парникові ризики.
Метою дослідження є вибір технічних рішень, спрямованих на скорочення викидів вуглеводнів з гірничих виробок, а також витрачання традиційних видів палива або заміну їх альтернативними видами енергії, застосування яких дозволить поліпшити екологічну обстановку на прилеглій до шахти території і знизити парникові ризики.
На основі узагальнення отриманих даних, а також результатів досліджень інших авторів, було уточнено механізм переходу в гірському масиві вуглеводневих сполук із зв’язаного в газоподібний стан під впливом очисних робіт. Наявність гірських виробок (стволи, свердловини, горизонтальні і похилі підготовчі, очисні і примикають до них вироблені простору) сприяє надходженню цих газоподібних сполук в атмосферу, що підсилює парниковий ефект. Найбільш раціональна сучасна стратегія зниження парникового ефекту від виділяються з надр газів полягає в уловлюванні і переробці різними способами шахтних вуглеводнів в діоксид вуглецю, який в 21 разів менш шкідливий, ніж метан. При цьому відбувається перетворення хімічної енергії вуглеводнів в теплову, останню перетворять в механічну і електричну, і потім використовують на виробництві та в побуті. В даний час інтенсивно досліджується можливість поховання або переробки діоксиду вуглецю в рідкі або тверді сполуки, в тому числі органічні.
На сучасному етапі розвитку технологій виїмки вугільних пластів найбільш прийнятний, на нашу думку, а можливо єдино правильний, – комплексний підхід до вирішення питання забезпечення екологічної безпеки при розробці вуглегазових родовищ. Він передбачає поєднання всіх способів і засобів дегазації для забезпечення максимального уловлювання та подальшої утилізації шахтних газів. Тільки раціональне застосування технічних засобів добування метану дає можливість утилізувати його максимальну кількість і різко скоротити викиди в атмосферу. Для успішної реалізації такого підходу необхідно розташовувати не тільки відомостями про технічні характеристики використовуваних видів обладнання, але особливо важлива інформація про параметри областей скупчення газів, знати, якими шляхами направити гази до дегазаційних і утилізаційних установок.
Джерела виділення основних газових потоків визначаються геологічною будовою товщі, де вони знаходяться в природному (довільному) порядку, як по газоносності, так і за взаємною положенню. Оцінка кількості виділяються з розроблювального масиву газів є геологічної та геохімічної завданням, її вирішення визначено діючими нормативними документами для будь-якого шахтопласта.
На підставі узагальнення результатів власних досліджень, доповнених отриманої з літературних джерел інформації, запропонована класифікація технологій зниження негативного впливу на атмосферу парникових газів, що виділяються при виїмці вугілля. Класифікація передбачає етап впливу на газопородний масив для перекладу пов’язаних газів у вільний стан, а також організацію каптажу ШГ (табл. 1).
Таблиця 1 – Технологічні прийоми посилення дегазації розроблюваного гірського масиву і скорочення емісії метану
На основі результатів проведених досліджень, з урахуванням особливостей десорбції і фільтрації ШГ з підробляється вуглепородної товщі, запропоновані технології підвищення ефективності уловлювання метану дегазаційними свердловин, пробурених з підготовчих виробок.
Спосіб дегазації газовугільної родовищ (рис. 2), відрізняється тим, що шляхом вимірювання деформацій гірського масиву встановлюють параметри зони локальної розвантаження масиву попереду зони опорного тиску і силовий вплив на продуктивний ділянку свердловини (гідророзрив) здійснюють у період перебування її в зоні локальної розвантаження на відстані lВЛ + 20м (див. табл 1).
Згідно з іншим способом (рис. 2б) силовий вплив на продуктивний ділянку свердловини з одночасною подачею дисперсного наповнювача здійснюють у період перебування її на ділянці розвантаження масиву попереду очисного вибою Lр-Lмр (див. табл. 1).
Малюнок 2 – Продуктивність (Q) дегазаційних свердловин при використанні відповідно: традиційної (я) і пропонованих (II), технологій: а) гідрорасчлененіе пласта-супутника в області локальної розвантаження масиву; б) силовий вплив і подача дисперсного наповнювача в область розвантаження порід
Ці технологічні прийоми дозволяють збільшити величину зон зруйнованих порід навколо свердловин і підвищити продуктивність дегазаційних свердловин в порівнянні з традиційними технологіями на 20…40%. Технічні рішення, спрямовані на скорочення викидів вуглеводнів з гірничих виробок, а також витрачання традиційних видів палива або заміну їх альтернативними видами енергії дозволять поліпшити екологічну обстановку на прилеглій до шахти території і знизити парникові ризики. Крім того утилізація ШГ дозволить отримати додатковий дохід.
В даний час на шахтах України превалює попутна дегазація підробляється товщі за допомогою пробурених з підземних виробок свердловин. Для підвищення ефективності способів дегазації використовують прийоми штучної розвантаження і збільшення тріщинуватості і, відповідно, газовіддачі масиву, такі як гідро-пневморозчленування вугільних пластів і породних шарів і інші способи гідровоздействія.
Відомі деякі інші способи, наприклад запропоноване фахівцями Національного гірничого університету проведення спеціальних виробок вентиляційного горизонту [2], що можна розглядати як технічний еквівалент комплексу підземних і поверхневих свердловин. Однак, в силу ускладнення систем розробки і досить високу затратність цей спосіб і деякі інші поки не набули поширення.
Виділяються з вуглепородного масиву газ може містити до 100% метану, але в провітрюваних привибійних просторах гірських виробок його розбавляють повітрям до змісту не більше 1,0…0,75% і, вигляді газоповітряної суміші, направляють до вентиляційного стволу. Та частина газу, яка виділяється в непровітрюваному виробленому просторі, або змішується з повітряними витоками і, за рахунок загальношахтної депресії, мігрує у вентиляційну струмінь, або накопичується у виробленому просторі, звідки може бути вилучена за допомогою газовідсмоктувальних установок.
З відбитої гірничої маси і откачиваемой води по шляху їх транспортування також відбувається десорбція газів [3], які змішуються з повітрям гірських виробок і надходять в атмосферу. Який не встиг виділитися газ видається на гору в складі вугілля, породи, води. Слід зазначити, що розчинність метану у воді дуже низька, і при атмосферному тиску він випаровується досить швидко.
З розташованих над і під які розробляються пластом шарів газоносних порід і пластів-супутників виділяється метан, який накопичується в порових і трещинних колекторах переважно виробленого простору.
Освіта колекторних порожнин відбувається у міру переміщення лінії очисного забою, причому найбільш великі тріщини виникають періодично (стрибкоподібно), у міру обвалення безпосередньої та опади основної покрівлі. Значний обсяг газів з цих колекторів витягують за допомогою підземних дегазаційних свердловин, пробурених з підготовчих виробок, транспортують його по дегазаційних трубопроводах, використовуючи в якості збудників витрати вакуум-насоси. Недоліком цього способу дегазації є наявність значних підсосів повітря через тріщини в масиві і нещільності в трубопроводах, що погіршують енергетичний потенціал дегазаційної середовища. Якість суміші в трубопроводах не повинно бути нижче 30% (в окремих випадках допускають 25% метану) з міркувань безпеки.
Істотним недоліком цього найбільш поширеного на шахтах способу дегазації є обмежена тривалість функціонування підземних свердловин. Початок інтенсивної газовіддачі з масиву в свердловини, як уже зазначалося, обумовлено деформированием вуглепородної середовища і розвитком у ній трещиноватости під впливом гірничих робіт. Область впливу підземних розробок має майже стабільні розміри, які визначаються, в основному, геометрією виробок і глибиною з розташування. Закінчення експлуатації підземних свердловин визначається їх стійкістю в підробленої товщі і терміном існування дегазаційного трубопроводу до моменту руйнування в інтенсивно осідає покрівлі позаду очисного вибою. Таким чином, ефективна робота свердловин можлива в певних кінцевих відрізках відстаней приблизно постійних попереду і позаду очисного забою, а тривалість їх роботи в цих відрізках – швидкістю посування очисного вибою. Формується мобільний ділянку дегазіруемого масиву (рис.3, позиції 11, 12) приблизно постійною протяжності. Чим більше інтенсивність углевиемкі (швидкість посування очисного забою), тим менше тривалість роботи свердловини і, отже, менше її загальна продуктивність.
Малюнок 3 – Варіант комплексної дегазації вуглегазових масиву при відпрацюванні суміжних лав: 1, 2 - відповідно бар’єрні свердловини, фланговий газовідсмоктувальних трубопровід і область забезпечуваній ними дегазації виробленого простору; 3, 4 – пробурені з поверхні свердловини і область дегазіруемого ними виробленого простору раніше відпрацьованою лави; 5, 10 – відповідно, дегазаційний трубопровід і пробурені з гірничих виробок свердловини, що знаходяться за зоною впливу очисних робіт; 6 – дегазіруемая за рахунок загальношахтної депресії частина виробленого простору; 7, 8 – напряму руху свіжої (суцільна) і вихідної (пунктир) вентиляційних струменів; 9 – пробурена з поверхні розташована поза зоною впливу очисних робіт свердловина; 11, 12 – знаходяться в області впливу гірничих робіт пробурені з виробок свердловини і мобільна частина дегазіруемого ними масиву; 13, 14 – пробурені з поверхні свердловини і область дегазіруемого ними виробленого простору діючої лави.
Таким чином, на підставі наведених досліджень можна виділити наступні мобільні ділянки дегазації масиву. Один знаходяться в привибійній частині очисної виробки, він включає простір вироблення і прилегле вироблений простір. Його розміри визначаються шириною лави і кроком обвалення безпосередньої покрівлі. Переміщення його в просторі визначається шириною захвату виїмкових техніки та кількістю циклів виїмки вугілля.
Інша ділянка включає область, в якій відбувається утворення тріщин в покрівлі та грунті пласта, вона примикає до очисній виробці. Його розміри визначаються потужністю виймаємого пласта, деформаційно-міцнісними властивостями складають покрівлю та грунт порід кроком опади основної покрівлі, глибиною ведення гірничих робіт і рядом інших факторів.
Стаціонарні ділянки характеризуються наявністю разуплотнение середовища, вони знаходяться поблизу кордонів виробленого простору, наприклад біля монтажних печей [4]. У породах основної покрівлі утворюються порожнини між осіла покрівлею і завислими породами-мостами, які також можна віднести до стаціонарних ділянках. Витягувати з цих порожнин метан доцільно через пробурені з поверхні свердловини. Крім того, вони формуються уздовж споруд, зведених для охорони підготовчих виробок від дії гірського тиску [5]. Каптаж метану з цих ділянок здійснюють за допомогою, так званих, бар’єрних свердловин, установок газоотсоса або через що залишаються у виробленому просторі відростки дегазаційних трубопроводів.
За участі автора запропонований спосіб уловлювання метану, що виділяється з транспортується по гірських виробках гірської маси [6]. В основу його покладено створення ізольованого каналу транспортування з використанням стрічкових конвеєрів трубчастого типу і відсмоктування метану з герметизованих бункерів. Детальне дослідження цього способу не входило у завдання даної роботи.
Аналіз наведених вище даних показує, що, при інтенсивній відпрацюванні вугільних пластів, для збільшення обсягу извлекаемого підземними свердловинами метану можливі такі підходи. Прискорення дифузії газу з порід слід досягати за рахунок зменшення блочності гірських порід, наприклад шляхом поєднання природного або штучного їх руйнування, що призводить до зменшення розмірів і збільшення коефіцієнта форми блоків. Одночасно необхідно забезпечити поліпшення фільтраційних характеристик середовища посиленням їх макротрещіноватості, зокрема розкриттям і фіксацією ширини тріщин [7]. Крім того, слід вишукувати заходи до збільшення протяжності ділянок вуглепородної товщі, в яких відбувається інтенсивний перехід газу з пов’язаного у вільний стан.
1. З урахуванням виконаних у попередніх розділах роботи досліджень встановлено шляхи емісії в атмосферу та визначено орієнтовні чисельні показники витрати в них метану при інтенсивній відпрацюванні лав на пластах з високою газоносністю.
2. Проведено аналіз сучасних найбільш поширених способів попутної дегазації розроблюваного вуглегазових масиву, визначені області їх застосування та запропоновано напрями комплексної дегазації інтенсивно відпрацьовуються газоносних пластів, що забезпечують уловлювання 60…80% шахтних вуглеводнів і відповідне зниження їх викидів в атмосферу.
3. Встановлено, що підвищення навантаження на очисний вибій призводить до скорочення термінів функціонування підземних дегазаційних свердловин і зниження кількості та якості улавливаемого метану. Запропоновано нові технічні рішення, що дозволяють без додаткових капітальних і експлуатаційних витрат підвищити на 20…40% підвищити дебіт дегазаційних свердловин.
4. На основі проведеного аналізу екологічної ефективності комплексного дегазації гірського масиву встановлено, що вона не залежить від продуктивності шахти, а визначається кількістю виділяється каптованого метану і тривалістю виконання заходів щодо його утилізації.
5. Додатковий екологічний ефект отримують, використовуючи вловлений шахтний метан як енергетичної сировини. У цьому випадку можна відмовитися від витрачання обмежених традиційних видів палива, таких як природний газ, вугілля, мазут, уран, біопаливо та інші.
6. Реалізація розроблених в роботі пропозицій щодо збільшення дебіту підземних дегазаційних свердловин дозволяє за період їх існування збільшити кількість витягується з масиву метану на 20…40%. Використання запропонованої технології протягом року, за умови, що в роботі постійно знаходиться один «кущ» свердловин, дозволить забезпечити високий економічний ефект.