| ДонНТУ
| Портал магистров ДонНТУ
| Магистры ДонНТУ в контакте |
|
Email: lenusja0786@mail.ru 
437-296-341
Автореферат
Тема магистерской работы: «УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ ИМЕНИ А. А. СКОЧНСКОГО»
1 Обоснование и актуальность темы
В настоящее время Украина ежегодно потребляет около 75 млрд. м3 природного газа, из которых лишь около 18 млрд. м3 добывают в самой стране. Украина импортирует около 57 млрд. м3 газа, тем самым значительно увеличивая свой внешний долг. Ежегодно из России поступает 30 млрд. м3 природного газа в качестве компенсации за транспортировку российского газа в Европу по газопроводу, проложенному по территории Украины. Остальные 27 млрд. м3 газа Украина в 2007 году закупала по цене $130 за тысячу м3. В 2008 году цена на импортный газ для Украины составляет $170 за тысячу кубометров, но это еще не предел. Каждый день грядет за собой повышение цены на природный газ. Все это свидетельствует о том, что вопросы по утилизации газа метана в настоящее время очень актуальны. Крупномасштабная добыча и утилизация метана угольных месторождений позволит в значительной степени удовлетворить потребности Украины в энергоносителях.
Увеличить объемы собственной добычи природного газа, за исключением угольного метана, в Украине невозможно по экономическим причинам. Еще во времена СССР были отработаны наиболее крупные и сравнительно неглубокие месторождения природного газа и нефти на территории Украины. Для дальнейшей разработки относительно небольших и более глубоких запасов необходимы огромные капиталовложения, которыми Украина не располагает.
По оценкам экспертов, запасы метана угольных пластов в Донецкой и Луганской областях превышают 3 трлн. м3.
Одной из шахт, где целесообразно разработать и внедрить проект извлечения и утилизации метана, является «Шахта им. А. А. Скочинского». Выбор этой шахты для оценки возможности осуществления газового проекта обусловлен наличием значительных запасов метана, высокой удельной газоносностью угольных пластов в пределах горного отвода шахты, значительным уровнем годовой добычи угля и благоприятными перспективами развития шахты. Размер площади земельного отвода шахты составляет 80 кв. км с запасами метана около 6,8 млрд. м3. Шахтное поле содержит 30 угольных пластов общей мощностью 12,25 м; газоносность угольных пластов колеблется от 16 до 21 м3/т [1].
2 Цели и задачи исследования
Цель работы – усовершенствование технологии извлечения метана в условиях сверхкатегорийной шахты имени А. А. Скочинского и разработка мероприятий по использованию извлеченного метана.
Идея работы – разработка и обоснование технологических решений возможности лишь с учетом определения общего объема метана добываемого в шахте и технико-экономического обоснования его себестоимости.
Задачи, решаемые в магистерской работе:
1. Провести анализ исследований по добыче метана в условиях сверхкатекорийной шахты
2. Осуществить анализ всех существующих способов дегазации и усовершенствование технологии извлечения метана
3. Выполнить обоснование направлений и критериев рационального использования метана как источника сырья для промышленности
4. Экономически обосновать технологические решения по извлечению и использованию метана в условиях реального предприятия.
Объект исследования – шахта имени А. А. Скочинского, технология извлечения метана.
Предмет исследований – технологические процессы извлечения и использования метана.
Методы исследования – систематизация, аналитический, методы технико-экономических расчетов, метод моделирования, решение ситуационных задач, прогнозирование, метод статистической обработки данных.
3 Научная новизна и практическая ценность работы
Научная новизна - разработка и обоснование технологических решений возможности лишь с учетом определения общего объема метана добываемого в шахте и технико-экономического обоснования его себестоимости.
Научная новизна раскрывается в следующих результатах достижения:
- осуществлено прогнозирование объема используемого метана на шахте при его максимальной добыче с применением методов математического моделирования;
- обоснование направлений рационального использования метана в условиях реального предприятия на основе анализа существующих технологических решений;
- выполнено технико-экономическое обоснование использования извлекаемого из шахты метана как сырьевого ресурса и возможностей его использования.
Практическая ценность – даны практические предложения по обоснованию направлений использования метана, предложены технологические решения с учетом условий шахты.
4 Обзор существующих исследований и разработок по теме.
На сегодняшний день о метане, как ресурсе, говорят многие. Одной из шахт где целесообразно внедрить проект по извлечению метана, является шахта имени А. А. Скочинского. Однако практически никто серьезно не пытался заняться данной проблемой. В том числе представлен авторский доклад на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы охраны труда и аэрологии горных предприятий». По данной теме исследования ещё не проводились. Статьи, посвященные близкой тематике публиковались в «Горном журнале» [5, 6]. В частности, в одной из статей, помещенных в этом издании, говорится о наработках института проблем природопользования и экологии НАН Украины [6]. Этим заведением выполнен анализ влияния горнодобывающего производства на все компоненты окружающей среды. Установлены крупные экологические и технико-экономические показатели разработки месторождений в зависимости от применяемых технологий добычи полезных ископаемых и геологических параметров залегания минерального сырья, а также общие закономерности реакций со стороны экосистем на техногенные нагрузки. На основании этого разработаны методические подходы к определению предельных дополнительных техногенных нагрузок на природные системы, основные принципы, формирования которых учитывают наши исследования извлечение метана из угольных месторождений. Однако подобная информация зачастую носит поверхностный характер, так как недостаточно изучена сама технология извлечения метана, которая прежде всего основывается на дегазации. Вследствие чего остается достаточно нерешенных вопросов, над которыми необходимо работать.
Анализ ситуации в Украине, Донецком регионе и мировой опыт в области извлечения метана.
Особую актуальность приобретает добыча метана при дегазации угольных пластов на шахтах. Помимо использования в качестве энергоносителя, добыча его обеспечивает безопасность работы угольных шахт. Запасы метана на 60 действующих шахтах Донбасса составляют более 100 миллиардов кубометров. Сейчас только через системы вентиляции и дегазации из угольных шахт Донецкой области выбрасывается в атмосферу до 2,7 млрд. кубометров метана в год, что достаточно для удовлетворения трети потребностей области в газе. В мире накоплено много опыта добычи шахтного метана, в частности, в США, но у нас по-настоящему занимается этим только донецкая шахта имени А.Засядько. Разработанная программа дегазации угольных пластов рассчитана на получение 250 млн. кубометров метана в год. Уже сегодня добыча попутного газа обеспечивает работу электростанции мощностью 66 мегаватт.
Опыт шахты им. Засядько будет распространен на другие. В рамках сотрудничества облгосадминистрации с НАН Украины корпорация «Индустриальный союз Донбасса» создает современный комплекс извлечения и использования шахтного метана в объеме 5-6 млрд. кубометров в год на Южно-Донбасской площади. Госпредприятие «Донецкая угольная энергетическая компания» ведет работы по извлечению метана на площадях «Южно-Донбасская N12-1», «Южно-Донбасская N4». Госпредприятие «Центр альтернативных видов топлива» НАН Украины и Минуглепром реализуют проекты разведки, добычи и использования метана на площади Красноармейского полигона «Добропольской-Капитальной», «Гапиевской» и Южно-Родинской площадки. «Компания «Юговостокгаз» ведет разведку запасов и разрабатывает схему добычи и использования метана поля шахты «Торецкая» на куполе «Карабанка», где прогнозируется добыча 12-15 млн. куб. м в год. Для решения проблем поиска альтернативных видов топлива и добычи шахтного метана облгосадминистрация и Агентство по торговле и развитию США подписали договор по выделению гранта Донецкой облгосадминистрации для частичного финансирования стоимости товаров и услуг, необходимых для составления технико-экономического обоснования разведки и добычи метана угольных шахт Украины. Намечено разработать концепцию дегазации для горнодобывающих предприятий на десять лет планового развития. Реализация этих проектов позволит значительно улучшить обеспечение энергоносителями промышленности области и повысить безопасность добычи угля в шахтах.
Украина имеет огромные, фактически не разработанные ресурсы метана угольных месторождений. По величине его запасов наша страна занимает четвертое место в мире. Специалисты оценивают их объем в границах 12-17 трлн. кубометров. Специфика украинского метана состоит в том, что его запасы в угленосных толщах в несколько раз превышают залежи, которые содержаться в газовых месторождениях. Шахтный метан, который попутно добывается, используется почти во всех угледобывающих странах: Польше, Германии, Франции, Великобритании и США. Его добыча в Украине в особенности выгодна, поскольку наши шахты очень метанообильные [2].
Но пока эта «метанообильность» по большому счету приносит нам только горе. Потому как из-за взрывов газа в угольных шахтах гибнут сотни людей. С 219 шахт Украины 95% - газовые, 70% - опасные по взрывам угольной пыли, 45% - опасные по газодинамическим явлениям, 30% - опасные по самовозгоранию угля. Трагизм состоит в том, что государство сегодня контролировать этот процесс не в состоянии. Добыча и переработка газа налаженна настолько слабо, что шахтный метан в буквальном смысле этого слова выбрасывается на ветер, вместе с человеческими жизнями.
Крупномасштабная добыча и утилизация метана угольных месторождениях позволит в значительной мере удовлетворить потребности Украины в энергоносителях.
Оценка газового энергетического потенциала одних только донецких шахт показала, что в границах их горных отводов помещается более 26,5 млрд. кубометров шахтного метана, который по своим свойствам идентичный природному газу Уренгойского месторождения. Запасы метана на отдельных шахтах колеблются от 0,2 до 4,7 млрд. кубометров. Например, в недрах шахты им. Засядько они составляют 3,6 млрд. кубометров, имени О. О. Скочинського - 4,7 млрд. кубометров, «Южнодонбасская» - 3-3,5 млрд. На сегодня из глубин донецких шахт можно извлекать и использовать в энергетических целях более 3 млрд. кубометров метана в год [9].
Мировой опыт. Лидером в этом направлении бизнеса в настоящее время являются США. Добыча метана здесь увеличилась с 5 млрд. куб. м в 1990 году до более чем 50 млрд. куб. м в 2006 году. Рост производства угольного метана объясняется истощением запасов природного газа в американских месторождениях. Кроме того, извлечением метана из угольных месторождений занимаются Австралия, Канада, Китай и Колумбия. В России в промышленных масштабах метан угольных пластов не добывается. Характерно, что российский институт «Промгаз» (сегодня дочернее предприятие «Газпрома») первый в мире произвел гидроразрыв угольного пласта. Это произошло в 1954 году в рамках работ по подземной газификации углей в Донбассе.
Правда, тогда добывали не метан, а горючие газы, которые образуются в результате сжигания угля под землей. Технология эта выглядела следующим образом. В угольном пласте бурились две скважины и соединялись с помощью гидроразрыва. В одну закачивали воздушную смесь, которая должна поддерживать горение угля, а из второй скважины выходили на поверхность продукты его неполного сгорания. В 1956 году на основе данного принципа была построена Южно-Абинская станция подземной газификации углей вблизи города Киселевск (Кемеровская обл.), которая проработала до 1996 года. Она снабжала этим топливом 14 промышленных и коммунально-бытовых потребителей. После начала разработки гигантских запасов голубого топлива Западной Сибири эти проекты свернули. Дело в том, что себестоимость добычи природного газа из крупных месторождений ниже, чем угольного метана или горючих газов [10].
Однако традиционная ресурсная база постепенно истощается. Приходится бурить более глубокие скважины на действующих месторождениях и выходить на неосвоенные территории: шельф северных морей, полуостров Ямал, Восточную Сибирь. В результате себестоимость добычи природного газа будет неуклонно расти.
В этих условиях извлечение метана из угольных пластов становится все более привлекательным бизнесом. Особенно если учесть, что этот газ будет поставляться потребителям, расположенным в непосредственной близости от промыслов (в первую очередь в Кемеровской области, которой необходимо около 4 млрд. куб. м голубого топлива ежегодно). Это позволит «Газпрому» сэкономить на его транспортировке. Напомним, что среднее плечо транспортировки газа при поставке российским потребителям составляет 3 тыс. км, а при выходе на новые месторождения этот показатель еще более возрастет. Кстати, по своему составу угольный газ зачастую лучше природного, так как содержит меньше примесей и на 92–95% состоит из чистого метана.
Вредное воздействие метана на окружающую среду и анализ способов дегазации
Метан относится к газам, которые, по мнению специалистов, создают парниковый эффект, удерживая тепло в земной атмосфере. Степень, в которой тот или иной парниковый газ удерживает тепло, измеряется относительно теплового эффекта двуокиси углерода. Считается, что по способности удерживать тепло в атмосфере за столетний период метан в 21 раз превосходит двуокись углерода. Метан и прочие парниковые газы выделяются в атмосферу как вследствие естественных процессов, так и в результате человеческой деятельности, например, добычи угля [4, 7].
Извлечение и утилизация метана угольных месторождений в Украине позволит значительно уменьшить объем парникового газа, выбрасываемого в атмосферу угольными шахтами.
Проекты, связанные с извлечением метана угольных месторождений, позволят значительно сократить количество аварий и уровень смертельного травматизма на украинских угольных шахтах. Об этом свидетельствуют совсем недавние аварии на шахте на АП «Шахты им. Засядько». Погибло более 100 человек. Во многих случаях причинами гибели горняков послужили внезапные выбросы угля и газа, вызванные высокой газоносностью горных пород, или же взрывы в результате повышения концентрации метана в атмосфере горных выработок. [8]
Одной из шахт, где целесообразно разработать и внедрить проект извлечения и утилизации метана, является «Шахта им. А. А. Скочинского». Выбор этой шахты для оценки возможности осуществления газового проекта обусловлен наличием значительных запасов метана, высокой удельной газоносностью угольных пластов в пределах горного отвода шахты, значительным уровнем годовой добычи угля и благоприятными перспективами развития шахты. Размер площади земельного отвода шахты составляет 80 кв. км с запасами метана около 6,8 млрд. м3. Шахтное поле содержит 30 угольных пластов общей мощностью 12,25 м; газоносность угольных пластов колеблется от 16 до 21 м3/т.
Существует множество способов дегазации угольных пластов. Рассмотрим достоинства и недостатки некоторых из них, таких как способ дегазации угольных пластов скважинами с поверхности, способ дегазации угольного пласта перекрещивающимися скважинами, технология дегазации и увлажнения неразгруженных пластов с применением средств гидроимпульсионного воздействия на массив.
Способ дегазации угольных пластов скважинами с поверхности предназначен для снижения газовыделения из сближенных угольных пластов и выработанного пространства в выработки очистного участка с целью извлечения пригодного для использования каптируемого метана, повышения безопасности горных работ и производительности очистного забоя по газовому фактору.
Технология дегазации включает бурение вертикальных скважин с поверхности при слоевой разработке угольного пласта или его отработке с потерями угля по мощности, либо при отработке пласта на полную мощность. В первом случае газ извлекается из сближенных угольных пластов и выработанного пространства преимущественно при возвратноточной схеме проветривания очистного забоя, во втором - из сближенных пластов при любой схеме проветривания участка. Скважины подключаются к вакуумной системе к началу разгрузки угольных пластов. Данная технология предполагает большие экономические затраты при невысоком коэффициенте дегазации.
Наиболее предпочтительными технологическими схемами дегазации в условиях шахты являются технологии использования перекрещивающимися скважинами, которые дегазируют не только пласты, но и породы.
Рисунок 1 – Анимированная схема дегазации перекрещивающимися скважинами
(13 кадров, 10 циклов повторения, размер 107kb)
Оценка эффективности дегазации и определение количества скважин определяется исходя из горнотехнических условий и требований, предъявляемых к снижению газообильности участка и извлечению газовоздушных смесей с заданными пределами содержания в них метана с целью его утилизации.
Преимущество способа состоит в том, что применительно к конкретным условиям ведения очистных работ определяются параметры и режимы работы скважин, обеспечивающие извлечение пригодных для использования метановоздушных смесей.
Способ дегазации угольного пласта перекрещивающимися скважинами предназначен для снижения газоносности угольных пластов и предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Принципиальные технологические решения: дегазация угольных пластов осуществляется через подключенные к вакуумной системе перекрещивающиеся скважины на оконтуренных и подготавливаемых к отработке выемочных полях.
Преимущества способа по сравнению с традиционно применяемым (параллельно-одиночные скважины) при равной плотности бурения скважин: эффективность дегазации в 1,5-3 раза выше; метанодобываемость составляет 3-5,5 м3/т против 1-2,5 м3/т; число остановок комбайна вследствие превышения концентрации метана по нормам ПБ в 5-10 раз ниже; повышение производительности очистных забоев на 15-20%; повышение безопасности горных работ по фактору метана и внезапных выбросов угля и газа.
Технология дегазации и увлажнения неразгруженных пластов с применением средств гидроимпульсионного воздействия на массив предназначена для снижения метаноносности пластов и увлажнения массива угля с целью повышения производительности забоев и безопасности горных работ по факторам метана, пыли и внезапных выбросов угля и газа. Технология включает: бурение скважин в плоскости пласта, нагнетание через них жидкости последовательно в статическом и импульсном режимах, бурение в обработанной зоне пласта перекрещивающихся скважин и дегазацию пласта, последовательное отключение от дегазационного трубопровода группы скважин и нагнетание жидкости в пласт для увлажнения угля. Средства для реализации технологии: буровая установка, оборудование для подачи в пласт жидкости через силовую скважину в статическом режиме нагнетания, отечественная установка для генерации гидравлических импульсов высокого давления, дегазационная система шахты, оборудование для низконапорного увлажнения пласта. [3]
Преимущество технологии перед базовыми состоит в комплексном решении вопросов дегазации пластов и увлажнения массива ко времени выемки угля, повышении безопасности работ, улучшении экологии рабочих мест.
Использование метода предварительной дегазации угольного массива с перекрещивающимися скважинами позволят значительно уменьшить количество аварий и несчастных случаев на шахте им. А. А. Скочинского. Кроме того, уменьшение объема метана, поступающего в шахту, будет способствовать росту добычи угля за счет сокращения простоев, связанных с опасной концентрацией метана.
Таким образом, проекты по извлечению шахтного метана позволят сократить аварийность и травматизм, и в то же время позволят увеличить добычу угля и снизить себестоимость продукции.
В магистерской работе будет представлено полное усовершенствование технологии извлечения метана.
5 Текущие и планируемые результаты по теме исследований
Основной перспективой исследований является возможность использования результатов работы как на предприятиях угольной промышленности так в народном хозяйстве в целом. Данные полученные в данной магистерской работе позволят принимать наиболее эффективные решения по применению технологии извлечения метана не только на шахте имени А. А. Скочинского, но и в стране в
Результаты выполненной работы позволят:
- оценить воздействие выбросов метана на окружающую природную среду;
- применить усовершенствованную технологию извлечения метана на шахтах
- спрогнозировать дальнейшие изменения;
- предотвратить последующие негативные воздействия, приводящие к кризисным ситуациям.
Результаты магистерской работы будут служить основой для дальнейших исследований.
6 Заключение и выводы
Цель работы – усовершенствование технологии извлечения метана в условиях сверхкатегорийной шахты имени А. А. Скочинского и разработка мероприятий по использованию извлеченного метана.
Достижение цели работы позволило решить такие задачи:
1. Проведен анализ исследований по добыче метана в условиях сверхкатекорийной шахты
2. Осуществлен анализ всех существующих способов дегазации и усовершенствование технологии извлечения метана
3. Выполнено обоснование направлений и критериев рационального использования метана как источника сырья для промышленности
4. Экономически обоснованы технологические решения по извлечению и использованию метана в условиях реального предприятия.
Метан относится к газам, которые, по мнению специалистов, создают парниковый эффект, удерживая тепло в земной атмосфере. Степень, в которой тот или иной парниковый газ удерживает тепло, измеряется относительно теплового эффекта двуокиси углерода. Считается, что по способности удерживать тепло в атмосфере за столетний период метан в 21 раз превосходит двуокись углерода. Метан и прочие парниковые газы выделяются в атмосферу как вследствие естественных процессов, так и в результате человеческой деятельности, например, добычи угля.
Извлечение и утилизация метана угольных месторождений в Украине позволит значительно уменьшить объем парникового газа, выбрасываемого в атмосферу угольными шахтами.
Доказано, что наиболее предпочтительными технологическими схемами дегазации в условиях шахты являются технологии использования перекрещивающимися скважинами, которые дегазируют не только пласты, но и породы
На основе сделанных выводов будет разработан комплекс мероприятий по использованию метана в промышленности и народном хозяйстве.
Результаты работы могут быть успешно использованы как шахтой имени А. А. скочинского, так и другими предприятиями отрасли.
Литература
1. Косінова О. О., Артамонов В. М. Використання родовищ корисних копалин вугілля // V Міжнародна наукова конференція аспірантів, магістрів та студентів "Сучасні проблеми екології та геотехнологій", 19 - 22 березня 2008 року. – Житомир: ЖДТУ, 2008. - с.22-23.
2. http://www.expert.ua/articles/7/0/3735/ Пора приручить метан
3. Руководство по дегазации угольных шахт. М., 1990, 180 с.
4. Кузера С. В., Дризднік І. Д., Кафтан Ю. С., Должанська Ю. Б. Видобування шахтного метану та захист навколишнього середовища (огляд) // Вугілля України. – 2005, № 6. – С. 13–14.
5. Вторичные материальные ресурсы угольной промышленности: (Образование и использование). Справочник/Гл. редкол.: А.Е.Юрченко (гл. ред.) и др.-М.: Экономика, 1984.-96 с.
6. "Земля тривоги нашої". За матеріалами доповіді про стан навколишнього природнього середовища в Донецькій області у 2006 році.
7. Стукало В. А. Шахтная атмосфера / Учеб. пособие – К.: УМК ВО, 1989. – 104 с.
8. Косінова О. О., Артамонов В. М. Техніко-економічне обґрунтування можливості видобутку метану в умовах шахти імені О. О. Скочинського // ІІ Міжнародна науково - практична конференція "Геотехнології і управління виробництвом XXІ століття", 15 - 16 квітня 2008 року. – Донецьк
9. Тополов В. С., Бортніков О. А., Ануфрієнко О. О., Івашин В. М., Губіна Г. П., Івашин Ю. В. Проблема паливно-енергетичних ресурсів у мирі та Україні. Вугілля України, 2004, №5, с 3-7.
10. Зберовський В. В. Розвиток геотехнологій видобутку метану вугільних родовищ. Вугілля України, 2004, №7, с 16-18.
| Автобиография
| Библиотека
| Ссылки
| Отчет о поиске
| Индивидуальное задание|
© ДонНТУ 2008 Косинова Е.А.
Научная новизна раскрывается в следующих результатах достижения:
- осуществлено прогнозирование объема используемого метана на шахте при его максимальной добыче с применением методов математического моделирования;
- обоснование направлений рационального использования метана в условиях реального предприятия на основе анализа существующих технологических решений;
- выполнено технико-экономическое обоснование использования извлекаемого из шахты метана как сырьевого ресурса и возможностей его использования.
Практическая ценность – даны практические предложения по обоснованию направлений использования метана, предложены технологические решения с учетом условий шахты.
4 Обзор существующих исследований и разработок по теме.
На сегодняшний день о метане, как ресурсе, говорят многие. Одной из шахт где целесообразно внедрить проект по извлечению метана, является шахта имени А. А. Скочинского. Однако практически никто серьезно не пытался заняться данной проблемой. В том числе представлен авторский доклад на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы охраны труда и аэрологии горных предприятий». По данной теме исследования ещё не проводились. Статьи, посвященные близкой тематике публиковались в «Горном журнале» [5, 6]. В частности, в одной из статей, помещенных в этом издании, говорится о наработках института проблем природопользования и экологии НАН Украины [6]. Этим заведением выполнен анализ влияния горнодобывающего производства на все компоненты окружающей среды. Установлены крупные экологические и технико-экономические показатели разработки месторождений в зависимости от применяемых технологий добычи полезных ископаемых и геологических параметров залегания минерального сырья, а также общие закономерности реакций со стороны экосистем на техногенные нагрузки. На основании этого разработаны методические подходы к определению предельных дополнительных техногенных нагрузок на природные системы, основные принципы, формирования которых учитывают наши исследования извлечение метана из угольных месторождений. Однако подобная информация зачастую носит поверхностный характер, так как недостаточно изучена сама технология извлечения метана, которая прежде всего основывается на дегазации. Вследствие чего остается достаточно нерешенных вопросов, над которыми необходимо работать.
Анализ ситуации в Украине, Донецком регионе и мировой опыт в области извлечения метана.
Особую актуальность приобретает добыча метана при дегазации угольных пластов на шахтах. Помимо использования в качестве энергоносителя, добыча его обеспечивает безопасность работы угольных шахт. Запасы метана на 60 действующих шахтах Донбасса составляют более 100 миллиардов кубометров. Сейчас только через системы вентиляции и дегазации из угольных шахт Донецкой области выбрасывается в атмосферу до 2,7 млрд. кубометров метана в год, что достаточно для удовлетворения трети потребностей области в газе. В мире накоплено много опыта добычи шахтного метана, в частности, в США, но у нас по-настоящему занимается этим только донецкая шахта имени А.Засядько. Разработанная программа дегазации угольных пластов рассчитана на получение 250 млн. кубометров метана в год. Уже сегодня добыча попутного газа обеспечивает работу электростанции мощностью 66 мегаватт.
Опыт шахты им. Засядько будет распространен на другие. В рамках сотрудничества облгосадминистрации с НАН Украины корпорация «Индустриальный союз Донбасса» создает современный комплекс извлечения и использования шахтного метана в объеме 5-6 млрд. кубометров в год на Южно-Донбасской площади. Госпредприятие «Донецкая угольная энергетическая компания» ведет работы по извлечению метана на площадях «Южно-Донбасская N12-1», «Южно-Донбасская N4». Госпредприятие «Центр альтернативных видов топлива» НАН Украины и Минуглепром реализуют проекты разведки, добычи и использования метана на площади Красноармейского полигона «Добропольской-Капитальной», «Гапиевской» и Южно-Родинской площадки. «Компания «Юговостокгаз» ведет разведку запасов и разрабатывает схему добычи и использования метана поля шахты «Торецкая» на куполе «Карабанка», где прогнозируется добыча 12-15 млн. куб. м в год. Для решения проблем поиска альтернативных видов топлива и добычи шахтного метана облгосадминистрация и Агентство по торговле и развитию США подписали договор по выделению гранта Донецкой облгосадминистрации для частичного финансирования стоимости товаров и услуг, необходимых для составления технико-экономического обоснования разведки и добычи метана угольных шахт Украины. Намечено разработать концепцию дегазации для горнодобывающих предприятий на десять лет планового развития. Реализация этих проектов позволит значительно улучшить обеспечение энергоносителями промышленности области и повысить безопасность добычи угля в шахтах.
Украина имеет огромные, фактически не разработанные ресурсы метана угольных месторождений. По величине его запасов наша страна занимает четвертое место в мире. Специалисты оценивают их объем в границах 12-17 трлн. кубометров. Специфика украинского метана состоит в том, что его запасы в угленосных толщах в несколько раз превышают залежи, которые содержаться в газовых месторождениях. Шахтный метан, который попутно добывается, используется почти во всех угледобывающих странах: Польше, Германии, Франции, Великобритании и США. Его добыча в Украине в особенности выгодна, поскольку наши шахты очень метанообильные [2].
Но пока эта «метанообильность» по большому счету приносит нам только горе. Потому как из-за взрывов газа в угольных шахтах гибнут сотни людей. С 219 шахт Украины 95% - газовые, 70% - опасные по взрывам угольной пыли, 45% - опасные по газодинамическим явлениям, 30% - опасные по самовозгоранию угля. Трагизм состоит в том, что государство сегодня контролировать этот процесс не в состоянии. Добыча и переработка газа налаженна настолько слабо, что шахтный метан в буквальном смысле этого слова выбрасывается на ветер, вместе с человеческими жизнями.
Крупномасштабная добыча и утилизация метана угольных месторождениях позволит в значительной мере удовлетворить потребности Украины в энергоносителях.
Оценка газового энергетического потенциала одних только донецких шахт показала, что в границах их горных отводов помещается более 26,5 млрд. кубометров шахтного метана, который по своим свойствам идентичный природному газу Уренгойского месторождения. Запасы метана на отдельных шахтах колеблются от 0,2 до 4,7 млрд. кубометров. Например, в недрах шахты им. Засядько они составляют 3,6 млрд. кубометров, имени О. О. Скочинського - 4,7 млрд. кубометров, «Южнодонбасская» - 3-3,5 млрд. На сегодня из глубин донецких шахт можно извлекать и использовать в энергетических целях более 3 млрд. кубометров метана в год [9].
Мировой опыт. Лидером в этом направлении бизнеса в настоящее время являются США. Добыча метана здесь увеличилась с 5 млрд. куб. м в 1990 году до более чем 50 млрд. куб. м в 2006 году. Рост производства угольного метана объясняется истощением запасов природного газа в американских месторождениях. Кроме того, извлечением метана из угольных месторождений занимаются Австралия, Канада, Китай и Колумбия. В России в промышленных масштабах метан угольных пластов не добывается. Характерно, что российский институт «Промгаз» (сегодня дочернее предприятие «Газпрома») первый в мире произвел гидроразрыв угольного пласта. Это произошло в 1954 году в рамках работ по подземной газификации углей в Донбассе.
Правда, тогда добывали не метан, а горючие газы, которые образуются в результате сжигания угля под землей. Технология эта выглядела следующим образом. В угольном пласте бурились две скважины и соединялись с помощью гидроразрыва. В одну закачивали воздушную смесь, которая должна поддерживать горение угля, а из второй скважины выходили на поверхность продукты его неполного сгорания. В 1956 году на основе данного принципа была построена Южно-Абинская станция подземной газификации углей вблизи города Киселевск (Кемеровская обл.), которая проработала до 1996 года. Она снабжала этим топливом 14 промышленных и коммунально-бытовых потребителей. После начала разработки гигантских запасов голубого топлива Западной Сибири эти проекты свернули. Дело в том, что себестоимость добычи природного газа из крупных месторождений ниже, чем угольного метана или горючих газов [10].
Однако традиционная ресурсная база постепенно истощается. Приходится бурить более глубокие скважины на действующих месторождениях и выходить на неосвоенные территории: шельф северных морей, полуостров Ямал, Восточную Сибирь. В результате себестоимость добычи природного газа будет неуклонно расти.
В этих условиях извлечение метана из угольных пластов становится все более привлекательным бизнесом. Особенно если учесть, что этот газ будет поставляться потребителям, расположенным в непосредственной близости от промыслов (в первую очередь в Кемеровской области, которой необходимо около 4 млрд. куб. м голубого топлива ежегодно). Это позволит «Газпрому» сэкономить на его транспортировке. Напомним, что среднее плечо транспортировки газа при поставке российским потребителям составляет 3 тыс. км, а при выходе на новые месторождения этот показатель еще более возрастет. Кстати, по своему составу угольный газ зачастую лучше природного, так как содержит меньше примесей и на 92–95% состоит из чистого метана.
Вредное воздействие метана на окружающую среду и анализ способов дегазации
Метан относится к газам, которые, по мнению специалистов, создают парниковый эффект, удерживая тепло в земной атмосфере. Степень, в которой тот или иной парниковый газ удерживает тепло, измеряется относительно теплового эффекта двуокиси углерода. Считается, что по способности удерживать тепло в атмосфере за столетний период метан в 21 раз превосходит двуокись углерода. Метан и прочие парниковые газы выделяются в атмосферу как вследствие естественных процессов, так и в результате человеческой деятельности, например, добычи угля [4, 7].
Извлечение и утилизация метана угольных месторождений в Украине позволит значительно уменьшить объем парникового газа, выбрасываемого в атмосферу угольными шахтами.
Проекты, связанные с извлечением метана угольных месторождений, позволят значительно сократить количество аварий и уровень смертельного травматизма на украинских угольных шахтах. Об этом свидетельствуют совсем недавние аварии на шахте на АП «Шахты им. Засядько». Погибло более 100 человек. Во многих случаях причинами гибели горняков послужили внезапные выбросы угля и газа, вызванные высокой газоносностью горных пород, или же взрывы в результате повышения концентрации метана в атмосфере горных выработок. [8]
Одной из шахт, где целесообразно разработать и внедрить проект извлечения и утилизации метана, является «Шахта им. А. А. Скочинского». Выбор этой шахты для оценки возможности осуществления газового проекта обусловлен наличием значительных запасов метана, высокой удельной газоносностью угольных пластов в пределах горного отвода шахты, значительным уровнем годовой добычи угля и благоприятными перспективами развития шахты. Размер площади земельного отвода шахты составляет 80 кв. км с запасами метана около 6,8 млрд. м3. Шахтное поле содержит 30 угольных пластов общей мощностью 12,25 м; газоносность угольных пластов колеблется от 16 до 21 м3/т.
Существует множество способов дегазации угольных пластов. Рассмотрим достоинства и недостатки некоторых из них, таких как способ дегазации угольных пластов скважинами с поверхности, способ дегазации угольного пласта перекрещивающимися скважинами, технология дегазации и увлажнения неразгруженных пластов с применением средств гидроимпульсионного воздействия на массив.
Способ дегазации угольных пластов скважинами с поверхности предназначен для снижения газовыделения из сближенных угольных пластов и выработанного пространства в выработки очистного участка с целью извлечения пригодного для использования каптируемого метана, повышения безопасности горных работ и производительности очистного забоя по газовому фактору.
Технология дегазации включает бурение вертикальных скважин с поверхности при слоевой разработке угольного пласта или его отработке с потерями угля по мощности, либо при отработке пласта на полную мощность. В первом случае газ извлекается из сближенных угольных пластов и выработанного пространства преимущественно при возвратноточной схеме проветривания очистного забоя, во втором - из сближенных пластов при любой схеме проветривания участка. Скважины подключаются к вакуумной системе к началу разгрузки угольных пластов. Данная технология предполагает большие экономические затраты при невысоком коэффициенте дегазации.
Наиболее предпочтительными технологическими схемами дегазации в условиях шахты являются технологии использования перекрещивающимися скважинами, которые дегазируют не только пласты, но и породы.
Рисунок 1 – Анимированная схема дегазации перекрещивающимися скважинами
(13 кадров, 10 циклов повторения, размер 107kb)
Оценка эффективности дегазации и определение количества скважин определяется исходя из горнотехнических условий и требований, предъявляемых к снижению газообильности участка и извлечению газовоздушных смесей с заданными пределами содержания в них метана с целью его утилизации.
Преимущество способа состоит в том, что применительно к конкретным условиям ведения очистных работ определяются параметры и режимы работы скважин, обеспечивающие извлечение пригодных для использования метановоздушных смесей.
Способ дегазации угольного пласта перекрещивающимися скважинами предназначен для снижения газоносности угольных пластов и предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Принципиальные технологические решения: дегазация угольных пластов осуществляется через подключенные к вакуумной системе перекрещивающиеся скважины на оконтуренных и подготавливаемых к отработке выемочных полях.
Преимущества способа по сравнению с традиционно применяемым (параллельно-одиночные скважины) при равной плотности бурения скважин: эффективность дегазации в 1,5-3 раза выше; метанодобываемость составляет 3-5,5 м3/т против 1-2,5 м3/т; число остановок комбайна вследствие превышения концентрации метана по нормам ПБ в 5-10 раз ниже; повышение производительности очистных забоев на 15-20%; повышение безопасности горных работ по фактору метана и внезапных выбросов угля и газа.
Технология дегазации и увлажнения неразгруженных пластов с применением средств гидроимпульсионного воздействия на массив предназначена для снижения метаноносности пластов и увлажнения массива угля с целью повышения производительности забоев и безопасности горных работ по факторам метана, пыли и внезапных выбросов угля и газа. Технология включает: бурение скважин в плоскости пласта, нагнетание через них жидкости последовательно в статическом и импульсном режимах, бурение в обработанной зоне пласта перекрещивающихся скважин и дегазацию пласта, последовательное отключение от дегазационного трубопровода группы скважин и нагнетание жидкости в пласт для увлажнения угля. Средства для реализации технологии: буровая установка, оборудование для подачи в пласт жидкости через силовую скважину в статическом режиме нагнетания, отечественная установка для генерации гидравлических импульсов высокого давления, дегазационная система шахты, оборудование для низконапорного увлажнения пласта. [3]
Преимущество технологии перед базовыми состоит в комплексном решении вопросов дегазации пластов и увлажнения массива ко времени выемки угля, повышении безопасности работ, улучшении экологии рабочих мест.
Использование метода предварительной дегазации угольного массива с перекрещивающимися скважинами позволят значительно уменьшить количество аварий и несчастных случаев на шахте им. А. А. Скочинского. Кроме того, уменьшение объема метана, поступающего в шахту, будет способствовать росту добычи угля за счет сокращения простоев, связанных с опасной концентрацией метана.
Таким образом, проекты по извлечению шахтного метана позволят сократить аварийность и травматизм, и в то же время позволят увеличить добычу угля и снизить себестоимость продукции.
В магистерской работе будет представлено полное усовершенствование технологии извлечения метана.
5 Текущие и планируемые результаты по теме исследований
Основной перспективой исследований является возможность использования результатов работы как на предприятиях угольной промышленности так в народном хозяйстве в целом. Данные полученные в данной магистерской работе позволят принимать наиболее эффективные решения по применению технологии извлечения метана не только на шахте имени А. А. Скочинского, но и в стране в
Результаты выполненной работы позволят:
- оценить воздействие выбросов метана на окружающую природную среду;
- применить усовершенствованную технологию извлечения метана на шахтах
- спрогнозировать дальнейшие изменения;
- предотвратить последующие негативные воздействия, приводящие к кризисным ситуациям.
Результаты магистерской работы будут служить основой для дальнейших исследований.
6 Заключение и выводы
Цель работы – усовершенствование технологии извлечения метана в условиях сверхкатегорийной шахты имени А. А. Скочинского и разработка мероприятий по использованию извлеченного метана.
Достижение цели работы позволило решить такие задачи:
1. Проведен анализ исследований по добыче метана в условиях сверхкатекорийной шахты
2. Осуществлен анализ всех существующих способов дегазации и усовершенствование технологии извлечения метана
3. Выполнено обоснование направлений и критериев рационального использования метана как источника сырья для промышленности
4. Экономически обоснованы технологические решения по извлечению и использованию метана в условиях реального предприятия.
Метан относится к газам, которые, по мнению специалистов, создают парниковый эффект, удерживая тепло в земной атмосфере. Степень, в которой тот или иной парниковый газ удерживает тепло, измеряется относительно теплового эффекта двуокиси углерода. Считается, что по способности удерживать тепло в атмосфере за столетний период метан в 21 раз превосходит двуокись углерода. Метан и прочие парниковые газы выделяются в атмосферу как вследствие естественных процессов, так и в результате человеческой деятельности, например, добычи угля.
Извлечение и утилизация метана угольных месторождений в Украине позволит значительно уменьшить объем парникового газа, выбрасываемого в атмосферу угольными шахтами.
Доказано, что наиболее предпочтительными технологическими схемами дегазации в условиях шахты являются технологии использования перекрещивающимися скважинами, которые дегазируют не только пласты, но и породы
На основе сделанных выводов будет разработан комплекс мероприятий по использованию метана в промышленности и народном хозяйстве.
Результаты работы могут быть успешно использованы как шахтой имени А. А. скочинского, так и другими предприятиями отрасли.
Литература
1. Косінова О. О., Артамонов В. М. Використання родовищ корисних копалин вугілля // V Міжнародна наукова конференція аспірантів, магістрів та студентів "Сучасні проблеми екології та геотехнологій", 19 - 22 березня 2008 року. – Житомир: ЖДТУ, 2008. - с.22-23.
2. http://www.expert.ua/articles/7/0/3735/ Пора приручить метан
3. Руководство по дегазации угольных шахт. М., 1990, 180 с.
4. Кузера С. В., Дризднік І. Д., Кафтан Ю. С., Должанська Ю. Б. Видобування шахтного метану та захист навколишнього середовища (огляд) // Вугілля України. – 2005, № 6. – С. 13–14.
5. Вторичные материальные ресурсы угольной промышленности: (Образование и использование). Справочник/Гл. редкол.: А.Е.Юрченко (гл. ред.) и др.-М.: Экономика, 1984.-96 с.
6. "Земля тривоги нашої". За матеріалами доповіді про стан навколишнього природнього середовища в Донецькій області у 2006 році.
7. Стукало В. А. Шахтная атмосфера / Учеб. пособие – К.: УМК ВО, 1989. – 104 с.
8. Косінова О. О., Артамонов В. М. Техніко-економічне обґрунтування можливості видобутку метану в умовах шахти імені О. О. Скочинського // ІІ Міжнародна науково - практична конференція "Геотехнології і управління виробництвом XXІ століття", 15 - 16 квітня 2008 року. – Донецьк
9. Тополов В. С., Бортніков О. А., Ануфрієнко О. О., Івашин В. М., Губіна Г. П., Івашин Ю. В. Проблема паливно-енергетичних ресурсів у мирі та Україні. Вугілля України, 2004, №5, с 3-7.
10. Зберовський В. В. Розвиток геотехнологій видобутку метану вугільних родовищ. Вугілля України, 2004, №7, с 16-18.
© ДонНТУ 2008 Косинова Е.А.