Алєксєєва Інеса Анатоліївна Факультет: екології та хімічної технології Кафедра природоохоронної діяльності Спеціальність: Екологія в гірництві Тема випускної роботи: Удосконалення технології каптажу та використання метану в умовах шахти ім. М.І. Калініна Керівник: профессор, д.т.н., зав.кафедрою «Природоохоронної діяльністі» Костенко Віктор Кліментьєвич

Автореферат

Тема магістерської роботи: «УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ КАПТАЖУ І ВИКОРИСТАННЯ МЕТАНУ В УМОВАХ ШАХТИ ІМЕНІ М. І. КАЛІНІНА».

1. Обгрунтування та актуальність теми.

Україна на сьогодняшній день забезпечує лише 22,5% державних потреб у споживанні природого газу (споживання 80 млрд. м³, видобуток 18 млрд. м³). Велика частина газу, для покриття дефіциту, імпортується з країн СНД (Росія, Туркменістан та ін.) Особливо гостро постало питання щодо пошуку та розробки альтернативних енергоносіїв.
  Одним із таких альтернативних джерел в Донбасі, судячи із специфіки району, яка представлена здебільшого гірничодобувними підприємствами, можна розглядати шахтний газ - метан.
  Видобуток вугілля на Україні пов'язаний із високим рівнем складності і низьким рівнем безпеки, в порівнянні з видобутком інших видів енергоресурсів, що обумовлено складними гірничо-геологічними умовами залягання вугільних пластів і важко прогнозованими гірничо-геологічними і газодинамічними умовами. Метан - невід'ємний супутник кам'яного вугілля, видобуток якого в нашій державі складає сьогодні близько 80 млн. т на рік. Розрахункові запаси метану в вугленосних родовищах складають від 12 до 25 трлн м³ [1].
  Необхідно зазначити такий аспект, як екологічна безпека. Функціонування підприємств вугільної промисловості, як правило, супроводжується багатостороннім негативним впливом на навколишнє природне середовище, масштаби якого безпосередньо залежать від обсягу основного виробництва та у зв'язку з можливим збільшенням обсягів видобутку вугілля мають тенденцію до подальшого зростання.
За рівнем утворення і викидів шкідливих речовин в атмосферу вугільна промисловість є однією з найбільш забруднюючих повітряний басейн галузей.
На підставі того, що метан - це один з шести основних газів, що створюють парниковий ефект (причому він у 21 раз впливовіший у порівнянні з СО2 у розрахунку на 100-річний період) утилізація його стає необхідна, виходячи з обсягів викидів в атмосферу [8].

Таким чином, з точки зору екологічної безпеки та парникового ефекту, переробка шахтного метану є дуже актуальною.
  Важливо зазначити, що метан у певних концентраціях утворює з киснем вибухонебезпечну суміш і його наявність є головним чинником і основною причиною вибухів у вугільних шахтах з тяжкими наслідками. Для боротьби з метаном на вугільних шахтах проводяться спеціальні профілактичні заходи, найбільш ефективні з яких - дегазація. В даний час, зі всього об'єму, що виділяється шахтами, системами дегазації витягується лише 15% метану, з нього утилізується лише 7% [4].
Тому розробка механізму оцінки та вибору варіантів використання шахтного метану несе економічний, екологічний та соціальний ефект.


2. Мета і завдання дослідження.

Мета роботи - удосконалення технології видобування метану, розробка та обгрунтування комплексу заходів щодо використання метану в умовах шахти ім. М.І. Калініна.

Завдання, які вирішуються в роботі:

1. Провести аналіз досліджень способів добування метану в умовах шахти імені М.І. Калініна

2. Здійснити аналіз всіх існуючих способів дегазації та технологій добування метану

3. Вибрати варіант технології вилучення та використання шахтного метану в умовах шахти

4.Розробити технологічну схему відведення метану з виробленого простору

5. Виконати обгрунтування напрямів та критеріїв раціонального використання метану як джерела сировини для підприємства

6. Економічно обгрунтувати технологічні рішення по вилученню і використанню метану в умовах шахти.

Об'єкт дослідження - вентиляційне та дегазаційне господарство шахти імені М.І. Калініна, технологія вилучення та використання шахтного метану.

Предмет досліджень - технологічні процеси витягу та використання метану.

Методи дослідження - систематизації, аналітичний, техніко-економічних розрахунків, моделювання, вирішення ситуаційних завдань, прогнозування, статистичної обробки даних.


3. Наукова новизна роботи. Практична цінність результатів роботи.

Наукова новизна - розробка технологічної схеми відведення метану з виробленого простору з метою підвищення безпеки ведення гірничих робіт; вибір більш раціонального способу по вилученню шахтного метану з метою використання його в когенераційних установках в умовах шахти імені М.І. Калініна.

Наукова новизна розкривається в наступних результатах досягнення:

• обгрунтування технологічних схем видобування метану в умовах підприємства;

• здійснення вибору та проведення обгрунтування напрямків раціонального використання шахтного метану в умовах підприємства;

• виконання техніко-економічного обгрунтування використання шахтного метану як сировинного ресурсу та можливостей його використання.

Практична цінність - практичні пропозиції використання шахтного метану; розробка технологічних схем утилізації, які можуть бути використані з метою отримання економічного, екологічного і соціального ефектів в умовах шахти імені М. І. Калініна.

4. Огляд існуючих досліджень і розробок по темі.

На проведення досліджень для реалізації метанових проектів у більшості українських шахт просто немає грошей, і тут  основною стає роль іноземних інвесторів. Одними з тих, хто першими виявили зацікавленість в освоєнні цього ринку, були французькі компанії, зокрема, BETEN, яка в кооперації з фірмами Еко-карбон і СДФ Інженерія забезпечує проведення на шахтах досліджень з утилізації метану, потім сприяє пошуку інвестора, встановленню обладнання і, власне, утилізації метану. При цьому проведення перших двох етапів проекту - попереднє і розгорнуте шахтне дослідження фінансує французький уряд.
У 2007 р. між Україною і Францією був підписаний двосторонній договір про просування карбонових проектів у рамках Кіотського протоколу. У 2008 р. уряд Франції виділив перший транш на реалізацію BETEN першого проекту утилізації метану в Україні - у Луганській області.
Було отримано дозвіл на реалізацію проекту. У січні 2010 р. всі проектні роботи за Луганським проектом були завершені. Найближчим часом проект повинен бути затверджений європейської організацією, а в другому кварталі 2010 р. - введений в експлуатацію.
Компанії не вдалося отримати дозвіл на реалізацію аналогічного проекту в Донецькій області. Проте французи дуже зацікавлені в українському ринку, і нову спробу закріпитися на ньому зробили в лютому, презентувавши свій "Проект відведення та використання шахтного газу (метану) на шахтах Донецької області" на проведеній в Донецьку галузевій нараді.

В даний час в реалізації метанових проектів в Донецькій області вже беруть участь американські, європейські і азіатські компанії. Наприклад, в реалізації проекту на шахті імені Засядько беруть участь японська компанія Marubeni Corporation, швейцарська VEMA SA і датська Global Carbon.
 
У США розроблена і впроваджена технологія вилучення з вугільних пластів до 80% метану. Така ступінь вилучення досягається пневмо- і гідродинамічним (за допомогою води, пульпи або спеціальних розчинів) впливом на пласти, стимулюючим підвищену газовіддачу вугілля.
Масштабний видобуток метану проводиться в США, де створена і діє ціла галузь промисловості з видобутку газу з вугільних пластів. За останні 10 років видобуток вугільного метану зі спеціальних свердловин зріс до 60 млрд м³ / рік. У цій галузі працює близько 200 американських фірм.

В останні роки розпочато інтенсивні роботи з вилучення метану в Австралії, Китаї, Канаді, Польщі, Німеччини та Великобританії.
В Австралії технології вилучення газу на шахтах і поза гірничих підприємств розроблялися паралельно з США, і деякі компанії успішно проводять розробку метану вже з середини 1990-х рр.. Видобуток метану проводиться горизонтальними свердловинами, пробуреними по пласту на відстань до 1500 м; газ надходить на очисну фабрику, де відповідно до технічних вимог зневоднюється, фільтрується, стискається і далі по газопроводу високого тиску надходить в ряд населених пунктів.

У Китаї ресурси метану вугільних пластів складають до 35 трлн м³. Цікавість до видалення метану з вугільних пластів стала тут проявлятися на початку 1990-х рр.. За минулі 10 років китайськими та іноземними фахівцями пробурено понад 100 свердловин на території вугільних басейнів у східній частині країни. В даний час обсяг видобутку метану в Китаї складає близько 5 млрд м³.

У Канаді почалися експериментальні роботи по витяганню метану на ділянці Паллісер в провінції Альберта. Канадський газовий комітет прогнозує, що метан вугільних пластів, ресурси якого становлять близько 8 трлн м³ (тоді як ресурси традиційного газу в країні - 5 трлн м³), в майбутньому стане основним видом газу, що добувається  в Канаді.

У Великобританії відома компанія Coalgas Ltd веде видобуток метану з двох зачинених шахт - «Макхрам», розташованої недалеко від
р. Менсфілд, і «Стітлей». Компанія розробила альтернативний метод добування метану за допомогою його відкачування через вентиляційні стовбури шахт, куди він надходить з невідпрацьованих вугільних пластів. На малюнку  1 зазначена структура глобальних викидів метану за країнами світу [10].

Анімований малюнок 1 - Структура глобальних викидів метану за країнами світу (кількість кадрів - 3, кількість циклів повторення- 7, розмір - 20,2 kb, зроблено в Gif animator).

Таким чином, необхідність, можливість і економічна доцільність великомасштабного видобутку метану з вугільних пластів підтверджуються досвідом низки країн. На думку американських експертів, цей напрямок буде неухильно розвиватися, і до 2020 р. світовий видобуток метану з вугільних пластів досягне 100-150 млрд м³ / рік, а в перспективі промисловий видобуток шахтного метану в світі може досягти 470-600 млрд м³ / рік , що складе 15-20% світового видобутку природного газу [3].

Найбільш перспективним відносно видобутку і використання метану в промислових цілях в Росії є Кузнецький вугільний басейн. У жовтні 2000 р. ВАТ «Газпром» і адміністрація Кемеровської області уклали договір з реалізації спільного проекту з видобутку метану з вугільних пластів Кузнецького басейну [9].
В даний час у рамках першого етапу експериментального проекту в Кузбасі на Талдінскій площі вже створений і функціонує науковий полігон у складі чотирьох свердловин і необхідної інженерної інфраструктури.
На основі багаторічного вивчення геологорозвідувальними і науково-дослідницькими організаціями метаноносності вугільних пластів ресурси метану тут оцінені в 13 трлн м ³ до глибини 1800 м, в 5-6 трлн м ³ - до 1200 м; найбільш значні з них знаходяться в Єрунаковскому, Томь-Усинському, Терсінскому та Ленінському районах.
За сприятливої ситуації у сфері оподаткування і високих цінах на газ до 2020 р. Кузбас спроможний вийти на видобуток 20 млрд м³ вугільного метану. Цей обсяг можна буде реалізувати в Кемеровській, Новосибірській та Омській областях, а також в Алтайському краї. При пожвавленні промислового виробництва і розвитку енергетики споживання природного газу в Кемеровській області може скласти близько 32 млрд м³ / рік, весь обсяг якого передбачається покрити за рахунок шахтного метану [5].

За запасами вугілля метану Україна займає четверте місце у світі - 12-25 трлн. м ³, з яких від 11 до 13 трлн. м ³ залягає на шахтах Донбасу. Тут можна витягати до 4 млрд. куб. м метану на рік (еквівалентно 3 млн. т бензину). Найбільш газоносним є напрям Красноармійськ - Добропілля. Зараз завершується ТЕО на розробку родовищ шахтного метану в Донецькій області, цей проект фінансується урядом США (у цій країні щорічно видобувається понад 50 млрд. м ³ метану).

У світі метан добувають з неторканих вугільних пластів, виштовхуючи його на поверхню за допомогою  технології гідророзриву. В Україні ж попереднє поверхневе буріння не проводилося, а витягувати метан із діючих шахт, глибини яких досягають 1,5 км, набагато складніше, тут застосовуються методи дегазації.
 

Шахта ім. Засядько не тільки реалізувала поки найбільший у світі проект з утилізації шахтного метану, але також і виступила піонером в Україні з продажу квот на викиди парникового газу. З 2006 р. підприємство передало 1,46 млн. т умовних викидів японській Marubeni, яка інвестувала кошти в утилізацію вугільного метану, а також продало фондам з Австрії та Японії квоти на викиди парникового газу на 2,5 млн. євро.
До 2012 року шахта ім. Засядька планує скоротити викиди метану на 3,8 млн. т в екв. СО2, що дозволить поетапно отримати за рахунок продажу квот EUR60 млн. Запаси метану на шахті складають близько 20 млрд. м³.
В Україні для забезпечення власним теплом і електроенергією метан вже використовується на «Макіїввугіллі», на шахтах ім. Баракова, «Суходольській-Східній», «Самсонівській-Західній», шахтоуправлінні «Донбас».
На початку 2009 р. компанія ДПЕК оголосила тендер з продажу квоти на викиди в рамках Кіотського протоколу. За реалізацію 720 тис. т можна виручити близько 7 млн. євро. Знизити обсяги викидів дозволить запуск на шахті «Комсомолець Донбасу» двох когенераційних установок із загальною потужністю близько 3 МВт. Разом з реконструкцією двох наявних котельних це дозволить у майбутньому вийти на утилізацію до 100% усього обсягу шахтного метану.
Загальне скорочення викидів парникових газів до 2012 р. в рамках проекту компанії складе близько 300 тис. т СО2 (екв.).
Проект з утилізації метану реалізує і шахтоуправління «Покровське» (раніше - Шахта «Червоноармійська- Західна № 1»). У серпні 2008 р. підписано контракт з американською GE Energy (один з найбільших у світі постачальників технологій виробництва і доставки енергії) на постачання когенераційних установок Jenbacher для використання метану сумарною потужністю 129 МВт. Передбачається, що це дозволить шахті підвищити безпеку і скоротити викиди на більш ніж 2 млн. т СО2 щорічно, що дозволить їй вийти на ринок торгівлі квотами і скоротити споживання природного газу на 122 млн. м ³ на рік.

5. Власні результати.

"Шахта ім. М. І. Калініна" в результаті проведення дегазації вугільних пластів щорічно отримує близько 4,5 млн. м3 шахтного метану, приведеного до 100% концентрації. Часткове використання зазначеного обсягу метану можливо при спалюванні його в котельній. Проте сезонне використання метану в котельній не дозволяє ефективно його утилізувати.
З метою виключення викиду метану в атмосферу та підвищення ефективності його використання пропонується встановити на території шахти дві когенераційні установки (модульного виконання) з газо-поршневими двигунами і генераторами потужністю 1053 кВт кожна напругою 6,3 кВ. Розрахунками встановлено, що вказана установка дозволить виробляти електричну енергію в обсязі близько 16 млн. кВт • г на рік і частково забезпечить споживачів шахти гарячею водою.

Основне  про когенераційні станції.

Когенераційна станція (КС) представляє енергетичну установку, що складається з 2-х модулів, до складу яких входять:
• газопоршневий 4-х тактний 20-ти циліндровий двигун типу J320 GS, виробник GE Jenbacher (Австрія);
• електричний генератор типу DIG 120 g / 4 номінальною потужністю 1053 кВт, виробник AVK;
• система утилізації тепла, що поставляється комплектно виробником двигуна;
• панелі управління, система синхронізації, захисту та моніторингу для кожного модуля.
Когенераційна станція призначена для корисного використання метану, дегазуємого шахтою ім. М. І. Калініна, з метою вироблення електричної та теплової енергії для споживачів шахти.
Електричне навантаження шахти ім. М.І. Калініна в цілому не перевищує 6 МВт, а річне споживання електроенергії становить близько 53 млн. кВт • год / рік.

Електрична потужність КС за вирахуванням власних потреб становить не більше 2 МВт із запланованим виробленням електроенергії до 16 млн. кВт • год / рік. Забезпечення надійності електропостачання електроприймачів шахти зберігається від діючої енергосистеми. КС виконує функції утилізації шахтного метану.
Приєднання когенераційної установки пропонується виконати до РУ-6 кВ компресорної станції і вентилятору ВЦ-5 із збереженням на них діючих вводів 6 кВ від РУ-6 кВ підстанції "Калініна-нова" [11].

Дегазація повинна здійснюватися у вугільних шахтах, де засобами вентиляції неможливо забезпечити вміст метану в повітрі в межах встановлених норм, якщо не виконуються умови Iуч 0,007 = Qуч * С. Дегазація повинна також застосовуватися у всіх випадках, коли можлива утилізація метану. Існує три способи дегазації: дегазація розробляємого пласта, виробленого простору та дегазація зближених пластів (супутників). На шахті ім. М.І. Калініна застосовується третій спосіб дегазації. Свердловини буряться з гірських виробок позаду лави. Перша панельна лава ЦПУ пл. h10 горизонту 1250 м відпрацьовується прямим ходом при суцільній системі розробки. Лава оснащена механізованим комплексом 2КД-90 і комбайном РКУ-10. Дегазація вугільного пласта здійснюється свердловинами, пробуреними з групового вентиляційного ходка на зближені вугільні пласти (супутники) h11 і h11' на верхню і нижню частини лави.
Дегазація виробленого простору застосовується з дегазацією зближених вугільних пластів, вміщуючих порід і розробляємого пласта, а також як самостійний метод при значному метановиділенні (більше 3-4 м3/хв) з виробленого простору, коли іншими способами дегазації або засобами вентиляції неможливо забезпечити зниження вмісту метану до допустимих меж. Метан утворює з повітрям у шахтах горючі і вибухові суміші. На анімованому малюнку номерами вказані: 1 - вибухові суміші метану з повітрям; 2 - нездійсненні суміші в природних умовах; 3 - невибухові суміші, але вони можуть стати вибуховими при збільшенні припливу свіжого повітря; 4 - невибухові суміші.

Анімований малюнок 2 - Графік до визначення вибуховості метаноповітряної суміші (кількість кадрів - 3, кількість циклів повторення- 7, розмір - 10,9 kb, зроблено в Gif animator).

  Дегазація вироблених просторів здійснюється вакуумними насосами з транспортуванням суміші, що витягується по дегазаційних газопроводах на поверхню та газовідсасуючими установками з ізольованим відведенням метану у вихідному струмені виїмкового поля (крила, шахти).
При суцільний системі розробки і зворотноточній схемі  провітрювання метан за допомогою газовідсасуючої установки і відростків труб уловлюється в просіці шириною 1,5 м, залишаємо у виробленому просторі у бутової смузі. Кріплення повинно охороняти просік від завалу протягом 150 м від лави. Для цього можуть бути застосовані багаття, що викладується по обидва боки просіка. Для зменшення підсосів повітря в печах викладаються дві чуракові перемички, простір між ними заповнюється глиняним розчином з добавкою 10%  повареної солі, уздовж бутової смуги з боку вентиляційного штреку викладається чуракова стінка або виробляється герметизація його пінопластом або синтетичною плівкою. Відростки трубопроводу, які закладаються через кожні 50 м, включаються в роботу на відстані 30 - 40 м від лави і вимикаються при відході її на 150 м. У роботі постійно знаходяться два-три відростка [6, 2].

Малюнок 3 - Схема ізольованого відводу метану при суцільній системі розробки на шахті імені М.І. Калініна.

   На малюнку 3 розроблена схема ізольованого відводу метану при суцільній системі розробки на шахті імені Калініна. Відведення метану здійснюється за допомогою відцентрових вентиляторів або пневматичних ежекторів по трубах за межі виїмкових ділянок, де попередньо розбавлений до безпечної концентрації метан випускається в загальну вихідну вентиляційну струмінь [7].
Таким чином, запропонований спосіб вилучення шахтного метану дозволить скоротити аварійність та травматизм, і в той же час дозволять збільшити видобуток вугілля і знизити собівартість продукції. Надійне видалення виникаючого газу за допомогою достатньої вентиляції та ефективного відсмоктування має, таким чином, життєво важливе значення.

В умовах великих глибин при істотно більшому вмісті метану у вугіллі ростуть обмеження навантажень на забій з газового фактору, що вимагає застосування примусової дегазації. Таким чином, встановлення когенераційних станцій дозволить підвищити безпеку підготовчих і продуктивність очисних робіт внаслідок зняття обмежень з газового фактору.

6. Висновки.

Промислова розробка й утилізація метану вугільних родовищ в умовах шахти імені М.І. Калініна забезпечить отримання економічного, екологічного, соціального ефекту.

Найбільш перспективним напрямком є використання когенераційних установок на основі газопоршневих двигунів.
Реалізація проекту по вилученню метану вугільних родовищ дозволить забезпечити:
• Екологічну ефективність метанобезпечної розробки вуглегазових родовищ.

• Альтернативне джерело палива, що зробить Україну менш залежною від імпорту палива.

• Поліпшення екологічної ситуації країни за рахунок скорочення викидів парникового газу.

• Підвищення безпеки ведення гірничих робіт.

• Створення ефективних технічних і технологічних рішень, що забезпечують максимальне зниження викидів метану при метанобезопасній розробці вуглегазових родовищ з енергетичним використанням витягуваного метану.

• Економічний ефект, оскільки не буде викидів метану, утилізація шахтного метану дозволить знизити собівартість видобутку вугілля на шахтах в залежності від конкретних умов на 3-4%.

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена.
Остаточне завершення: грудень 2010 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.


Використані джерела:

1. Утилизация шахтного метана на Яковлевской производственной площадке угольной шахты им. А.Ф. Засядько:  [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.informkioto.org.ua/data/upload/catalog2/main/ua/25/z52.doc

2. Пучков Л. А. Динамика метана в выработанных пространствах/ Л. А. Пучков. -  М.: МГГУ, 1995. – 313 с.

3. Касьянов В. В., Ламберт Перспективы развития метановой отрасли в Украине/  В. В. Касьянов – К.: 2000  - 6-11 с.

4. Снижение эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений с энергетическим использованием метана:  [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.lib.ua-ru.net/diss/cont/313878.html 

5.Угольный метан: перспективы добычи и использования:  [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=6483

6. Сергеев И.В. Руководство по дегазации угольных шахт/ И.В. Сергеев, В.С. Забурдяева, В.Г. Рыжков – М.: 1990. – 117-120 с.

7.Янко С.В. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт/ С.В. Янко, С.П. Ткачук, Л.Ф. Баженова – Киев: 1994. – 139-146 с.

8.Стукало В. А. Шахтная атмосфера/ В. А. Стукало – К.: УМК ВО, 1989. – 104 с.

9.Зберовський В. В. Розвиток геотехнологій видобутку метану вугільних родовищ. Вугілля України/ В. В. Зберовський – К.: 2004. -  16-17 с.

10.Дурнин М.К. Киотский протокол – источник финансирования обеспечения безопасности горных работ/ М.К. Дурнин - М.: – 2007. – 58-60 с.

11. Привлечение дополнительных инвестиций в энергоэффективные проекты в рамках Киотского протокола: [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.mishor.esco.co.ua/2008/art42.pdf