ДОБЫЧА МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ –
ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО
ОСВОЕНИЯ ГЕОРЕСУРСОВ УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

К.Н.ТРУБЕЦКОЙ
Д-р техн.наук,
Директор ИПКОН РАН
А.В.СТАРИКОВ
Д-р техн. наук (ИПКОН РАН)
В.В. ГУРЬЯНОВ
Д-р техн. наук (ИПКОН РАН).

Источник: http://www.rosugol.ru/jur_u/6_01/trubeckoy.html

В угленосных отложениях, наряду с углем, содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения, низкопотенциальное тепло недр. В процессе разработки угольных месторождений создается выработанное пространство, пригодное для хозяйственного использования (см. рисунок).
Большая часть этих георесурсов из-за недостаточной ценности или малых объемов не может быть объектом самостоятельной эксплуатации. Но совместное их извлечение при добыче угля и использование в промышленных и хозяйственных целях может дать дополнительный экономический эффект, способствующий повышению рентабельности горного производства.
В этом плане особое место занимает метан угольных пластов, с одной стороны, как фактор повышенной опасности при подземной добыче угля, а с другой, как экологически более чистое, чем уголь, и эффективное топливо.
Метан угольных пластов следует оценивать с двух различных позиций: как самостоятельное полезное ископаемое, извлечение которого из недр может осуществляться независимо от добычи угля по технологиям, подобным технологиям газового производства, при условии их рентабельности, и как попутное полезное ископаемое, извлекаемое из недр совместно с подготовкой шахтных полей к эксплуатации и с добычей угля при технически необходимой дегазации с целью обеспечения безопасных условий труда. В последнем случае рентабельность дегазации играет подчиненную роль, а весь экономический эффект определяется возможностью интенсификации ведения горных работ на шахтах, т.е. повышением темпов проходки пластовых выработок и нагрузок на очистные забои. При условии стабилизации объемов и качества метановоздушная смесь (МВС), извлекаемая из недр средствами дегазации, становится реальным ресурсом и может быть эффективно использована в промышленных и хозяйственных целях.
Ресурсы метана в угольных бассейнах России весьма значительны и оцениваются в 200 -300 трлн куб.м, из них в Кузнецком бассейне около 50-70 трлн куб.м и в Печорском 15-20 трлн куб.м. Но не весь этот метан может быть извлечен из недр с экономическим эффектом. Как полезное ископаемое может рассматриваться метан, связанный с угольными пластами — мощными аккумуляторами газа. При современном уровне освоения угленосных территорий и состояния техники и технологии добычи угля и газа к таким ресурсам метана можно отнести до 13 трлн.м³ газа в Кузнецком бассейне и до 2 трлн куб.м - в Печорском. Ho и эти количества газа достаточны для того, чтобы рассматривать метан угольных пластов как серьезную базу для развития его крупномасштабной добычи.
Помимо освоенных районов, в угольных бассейнах, в частности в Кузбассе, имеются значительные площади, перспективные для подземной добычи угля, где в недрах сосредоточены основные ресурсы метана. Однако распределение этих ресурсов неравномерно и зависит от плотности запасов угля и газоносности пластов.
Так, в Кузбассе при средней плотности ресурсов метана 716 млн.м³/км² наибольшая плотность отмечается в Ерунаковском районе - 2111 млн.м³/км², перспективном для масштабной добычи угля, а наименьшая в Анжерском - 176 млн.м³/км². Высокая плотность ресурсов метана характерна для Бунгуро-Чумышского, Прокопьевско-Кисилевского и Араличевского районов (от 1500 до 1900 млн.м³/км²).
Основной объем газа на 90-95% связан с залежами сорбированного метана в угольных пластах. Причем в Кузнецком бассейне из общих прогнозных ресурсов метана в рабочих пластах сосредоточено более 93% газа, а в нерабочих пластах и пропластках - менее 7%. В Печорском бассейне в рабочих пластах находится около 80% количества газа, а в нерабочих пластах и в пропластках -20%.
В верхних частях этих бассейнов (до глубин 1200 м) сосредоточено 50% газа в Кузбассе и около 65% в Печорском бассейне.
В полях действующих шахт ресурсы метана оцениваются в 212 млрд. куб.м в Кузнецком и 26 млрд.куб.м в Печорском бассейне. При относительно благоприятных горно-геологических условиях залегания пластов на перспективных и стабильно работающих шахтах большинство из них относится к III категории по метану и к сверхкатегорным.
Средняя метанообильность шахт Кузбасса оценивается в 25 куб.м на 1 т добываемого угля, достигая на ряде шахт 60-80 м³/т, а на отдельных особо метанообильных шахтах превышает эти величины в 1,5-2 раза.
Средствами дегазации, применяемыми на шахтах России, извлекается от 20 до 30% общего объема выделяющегося метана.
Вследствие малого объема дегазационных работ и недостаточной эффективности схем дегазации на многих газообильных шахтах России сохраняется газовый барьер, препятствующий достижению высоких скоростей проведения выработок и больших нагрузок на очистные забои. Кроме того, даже малые объемы метана, каптируемого средствами дегазации, используются в ограниченных масштабах.
Современная стратегия развития подземной добычи угля предусматривает коренную реорганизацию шахтного фонда и создание новых шахт с высоким уровнем концентрации горных работ. При этом считается необходимым создание условий, в первую очередь по газовому фактору, обеспечивающих возможность повышения нагрузок на очистные забои до 5-10 тыс. т в сутки и темпов проведения подготовительных выработок до 500-600 м в месяц. Технические средства для достижения таких показателей имеются и успешно применяются на многих передовых отечественных и зарубежных шахтах..
Однако на метанообильных шахтах, разрабатывающих пласты с высокой природной метаноносностью, реализация этой стратегии возможна при условии устранения газового барьера путем проведения комплекса работ по извлечению метана из недр на всех этапах существования шахты от строительства и подготовки первых выемочных полей до полного развития очистных работ и ликвидации шахты как угледобывающего предприятия.
Технологические схемы заблаговременного, предварительного и текущего извлечения метана из разрабатываемых пластов и выработанного пространства, т.е. шахтной дегазации, известны и применяются на шахтах России, хотя реализация этих схем не обеспечивает требуемого уровня эффективности. Одной из основных причин этого является тот факт, что параметры технологических схем дегазации и последовательность их применения не увязываются в должной мере с динамикой геомеханической ситуации в окрестности очистного забоя. Кроме того, практически не применяется заблаговременное извлечение метана из пластов, неразгруженных горными работами, вследствие чего скоростное и безопасное проведение выработок по пластам с высокой газоносностью становится невозможным. Из-за малой природной газопроницаемости углей и, следовательно, низкой газоотдачи пласта эффективность применяемых схем барьерной дегазации не превышает 20%. При высокой абсолютной метанообильности проводимых пластовых выработок (до 14 м³/мин. в Кузбассе при скоростях проходки 150-200 м в месяц ) такая эффективность дегазации явно недостаточна.
Выходом из этого может быть создание и применение на газообильных шахтах целостного комплекса технологий по извлечению и каптажу метана в тесной увязке с календарным планом подготовительных и очистных работ и динамикой геомеханической ситуации в связи с развитием очистного фронта. Этот комплекс должен включать заблаговременное через скважины с поверхности извлечение метана из газоносных неразгруженных пластов с искусственным повышением их газоотдачи для обеспечения безопасного скоростного проведения подготовительных выработок и последующую предварительную и текущую дегазацию высокопроизводительных очистных забоев.
Важнейшим звеном в решении проблемы заблаговременного извлечения (скважинной добычи) метана из угольных месторождений является научное обоснование возможности и целесообразности создания технологий повышения газопроницаемости угольных пластов, разработки и осуществления методов интенсификации их газоотдачи, обеспечивающих рентабельность новых методов добычи горючего газа.
Для решения комплекса задач, связанных с проблемой скважинной добычи метана из угольных месторождений, определяющее значение имеет понимание тех закономерностей поведения газосодержащего угольного пласта, которые осуществляются в реальных условиях его залегания при различных внешних воздействиях на горный массив.
Искусственное повышение газоотдачи неразгруженных угольных пластов представляет собой сложную научную и техническую проблему. На сегодняшний день единственным промышленным опробованным способом воздействия на пласт с целью повышения его газоотдачи является гидрорасчленение пласта – способ эффективный, но трудоемкий, дорогостоящий и требующий значительных затрат времени (до 3-5 лет и более) на освоение каждой скважины .
В связи с низкой проницаемостью неразгруженных угольных пластов и нахождением метана в угольных месторождениях в тесной сорбционной связи с угольным веществом, преимущественно в форме твердого углегазового раствора, исследования многих научных коллективов по проблеме заблаговременного извлечения метана из углевмещающей толщи были направлены на обоснование и разработку перспективных способов искусственного повышения газоотдачи угольных пластов.