Донецкий бассейн является крупнейшим промышленным регионом Украины с высоким уровнем концентрации угольной, металлургической и химической промышленностей, что делает его одним из самых опасных регионов Украины и Европы с точки зрения загрязнения окружающей среды. Основной вклад по выбросам метана в атмосферу вносит угольная промышленность [1]. Расчетные запасы метана в угленосных месторождениях составляют от 12 до 25 триллионов м3.
Ежегодно миллионы кубических метров метана поступают в атмосферу из угольных шахт Донбасса. Метан, присутствующий в больших объемах в пористой структуре угля, высвобождается в результате горных работ, накапливается в выработках и затем выбрасывается в атмосферу, что способствует глобальному ее потеплению, так как метан – это второй по значимости парниковый газ, регламентируемый Киотским протоколом.
В мировой практике различают следующие виды дегазации угольных месторождений: заблаговременная, производимая на перспективных участках до проектирования и строительства шахт, она позволяет извлечь до 15…25% газа, выделяющегося при отработке шахтного поля; предварительная, – в период строительства шахты, – 10…20%; сопутствующая, – при эксплуатации шахты, – 5…25% (кроме того, в этот период вентиляцией удаляют 20…50% содержащегося в угленосной толще метана; последующая, – из закрытых шахт, – 15…45%. Как следует из приведенных данных, основную долю газа извлекают из месторождений при их разработке и после закрытия шахт.
Взаимодействие шахты с окружающей средой представлено на (рис. 1).
Рисунок 1 – Условная схема взаимодействия горнодобывающего предприятия с окружающей средой
(анимация: 8 кадров, 5 циклов повторения, 52,2 килобайт)
В магистерской работе был осуществлен выбор технических решений, направленных на сокращение выбросов углеводородов из горных выработок, а также расходования традиционных видов топлива или замену их альтернативными видами энергии, применение которых позволит улучшить экологическую обстановку на прилегающей к шахте территории и снизить парниковые риски.
Целью исследования является выбор технических решений, направленных на сокращение выбросов углеводородов из горных выработок, а также расходования традиционных видов топлива или замену их альтернативными видами энергии, применение которых позволит улучшить экологическую обстановку на прилегающей к шахте территории и снизить парниковые риски.
На основе обобщения полученных данных, а так же результатов исследований других авторов, был уточнен механизм перехода в горном массиве углеводородных соединений из связанного в газообразное состояние под влиянием очистных работ. Наличие горных выработок (стволы, скважины, горизонтальные и наклонные подготовительные, очистные и примыкающие к ним выработанные пространства) способствует поступлению этих газообразных соединений в атмосферу, что усиливает парниковый эффект. Наиболее рациональная современная стратегия снижения парникового эффекта от выделяющихся из недр газов заключается в улавливании и переработке различными способами шахтных углеводородов в диоксид углерода, который в 21 раз менее вреден, чем метан. При этом происходит превращение химической энергии углеводородов в тепловую, последнюю преобразуют в механическую и электрическую, и затем используют на производстве и в быту. В настоящее время интенсивно исследуется возможность захоронения или переработки диоксида углерода в жидкие или твердые соединения, в том числе органические.
На современном этапе развития технологий выемки угольных пластов наиболее приемлем, по нашему мнению, а возможно единственно правильный, – комплексный подход к решению вопроса обеспечения экологической безопасности при разработке углегазовых месторождений. Он предусматривает сочетание всех способов и средств дегазации для обеспечения максимального улавливания и последующей утилизации шахтных газов. Только рациональное применение технических средств извлечения метана дает возможность утилизировать его максимальное количество и резко сократить выбросы в атмосферу. Для успешной реализации такого подхода необходимо располагать не только сведениями о технических характеристиках используемых видов оборудования, но особенно важна информация о параметрах областей скопления газов, знать, какими путями направить газы к дегазационным и утилизационным установкам.
Источники выделения основных газовых потоков определяются геологическим строением толщи, где они находятся в естественном (произвольном) порядке, как по газоносности, так и по взаимному положению. Оценка количества выделяющихся из разрабатываемого массива газов является геологической и геохимической задачей, ее решение определено действующими нормативными документами для любого шахтопласта.
На основании обобщения результатов собственных исследований, дополненных полученной из литературных источников информации, предложена классификация технологий снижения негативного влияния на атмосферу парниковых газов, выделяющихся при выемке угля. Классификация предусматривает этап воздействия на газопородный массив для перевода связанных газов в свободное состояние, а также организацию каптажа ШГ (табл. 1).
Таблица 1 – Технологические приемы усиления дегазации разрабатываемого горного массива и сокращения эмиссии метана
На основе результатов проведенных исследований, с учетом особенностей десорбции и фильтрации ШГ из подрабатываемой углепородной толщи, предложены технологии повышения эффективности улавливания метана дегазационными скважинами, пробуренными из подготавливающих выработок.
Способ дегазации газоугольных месторождений (рис. 2а), отличается тем, что путем измерения деформаций горного массива устанавливают параметры зоны локальной разгрузки массива впереди зоны опорного давления и силовое воздействие на продуктивный участок скважины (гидроразрыв) осуществляют в период нахождения ее в зоне локальной разгрузки на расстоянии Lвл+20м (см. табл. 1).
Согласно другому способу (рис. 2б) силовое воздействие на продуктивный участок скважины с одновременной подачей дисперсного наполнителя осуществляют в период нахождения ее на участке разгрузки массива впереди очистного забоя Lр-Lмр (см. табл. 1).
Рисунок 2 – Продуктивность (q) дегазационных скважин при использовании соответственно: традиционной (I) и предлагаемых (II) технологий: а) гидрорасчленение пласта-спутника в области локальной разгрузки массива; б) силовое воздействие и подача дисперсного наполнителя в область разгрузки пород
Эти технологические приемы позволяют увеличить величину зон разрушенных пород вокруг скважин и повысить продуктивность дегазационных скважин по сравнению с традиционными технологиями на 20…40%. Технические решения, направленные на сокращение выбросов углеводородов из горных выработок, а также расходования традиционных видов топлива или замену их альтернативными видами энергии позволят улучшить экологическую обстановку на прилегающей к шахте территории и снизить парниковые риски. Кроме того утилизация ШГ позволит получить дополнительный доход.
В настоящее время на шахтах Украины превалирует попутная дегазация подрабатываемой толщи с помощью пробуренных из подземных выработок скважин. Для повышения эффективности способов дегазации используют приемы искусственной разгрузки и увеличения трещиноватости и, соответственно, газоотдачи массива, такие как гидро-пневморасчленение угольных пластов и породных слоев и другие способы гидровоздействия.
Известны некоторые другие способы, например предложенное специалистами Национального горного университета проведение специальных выработок вентиляционного горизонта [2], что можно рассматривать как технический эквивалент комплекса подземных и поверхностных скважин. Однако, в силу усложнения систем разработки и довольно высокой затратности этот способ и некоторые другие пока не получили распространения.
Выделяющиеся из углепородного массива газ может содержать до 100% метана, но в проветриваемых призабойных пространствах горных выработок его разбавляют воздухом до содержания не более 1,0…0,75% и, виде газовоздушной смеси, направляют к вентиляционному стволу. Та часть газа, которая выделяется в непроветриваемом выработанном пространстве, либо смешивается с воздушными утечками и, за счет общешахтной депрессии, мигрирует в вентиляционную струю, либо накапливается в выработанном пространстве, откуда может быть удалена с помощью газоотсасывающих установок.
Из отбитой горной массы и откачиваемой воды по пути их транспортирования также происходит десорбция газов [3], которые смешиваются с воздухом горных выработок и поступают в атмосферу. Не успевший выделиться газ выдается на гору в составе угля, породы, воды. Следует отметить, что растворимость метана в воде весьма низка, и при атмосферном давлении он улетучивается довольно быстро.
Из расположенных над и под разрабатываемым пластом слоев газоносных пород и пластов-спутников выделяется метан, который скапливается в поровых и трещинных коллекторах преимущественно выработанного пространства.
Образование коллекторных полостей происходит по мере перемещения линии очистного забоя, причем наиболее крупные трещины возникают периодически (скачкообразно), по мере обрушения непосредственной и осадки основной кровли. Значительный объем газов из этих коллекторов извлекают с помощью подземных дегазационных скважин, пробуренных из подготовительных выработок, транспортируют его по дегазационным трубопроводам, используя в качестве побудителей расхода вакуум-насосы. Недостатком этого способа дегазации является наличие значительных подсосов воздуха через трещины в массиве и неплотности в трубопроводах, ухудшающих энергетический потенциал дегазационной среды. Качество смеси в трубопроводах не должно быть ниже 30% (в отдельных случаях допускают 25% метана) из соображений безопасности.
Существенным недостатком этого наиболее распространенного на шахтах способа дегазации является ограниченная продолжительность функционирования подземных скважин. Начало интенсивной газоотдачи из массива в скважины, как уже отмечалось, обусловлено деформированием углепородной среды и развитием в ней трещиноватости под влиянием горных работ. Область влияния подземных разработок имеет почти стабильные размеры, определяемые, в основном, геометрией выработок и глубиной из расположения. Окончание эксплуатации подземных скважин определяется их устойчивостью в подработанной толще и сроком существования дегазационного трубопровода до момента разрушения в интенсивно оседающей кровли позади очистного забоя. Таким образом, эффективная работа скважин возможна в определенных конечных отрезках расстояний примерно постоянных впереди и позади очистного забоя, а продолжительность их работы в этих отрезках – скоростью подвигания очистного забоя. Формируется мобильный участок дегазируемого массива (рис. 3, позиции 11, 12) примерно постоянной протяженности. Чем больше интенсивность углевыемки (скорость подвигания очистного забоя), тем меньше продолжительность работы скважины и, следовательно, меньше ее общая продуктивность.
Рисунок 3 – Вариант комплексной дегазации углегазового массива при отработке смежных лав: 1, 2 – соответственно барьерные скважины, фланговый газоотсасывающий трубопровод и область обеспечиваемой ими дегазации выработанного пространства; 3, 4 – пробуренные с поверхности скважины и область дегазируемого ими выработанного пространства ранее отработанной лавы; 5, 10 – соответственно, дегазационный трубопровод и пробуренные из горных выработок скважины, находящиеся за зоной влияния очистных работ; 6 – дегазируемая за счет общешахтной депрессии часть выработанного пространства; 7, 8 – направления движения свежей (сплошная) и исходящей (пунктир) вентиляционных струй; 9 – пробуренная с поверхности расположенная вне зоны влияния очистных работ скважина; 11, 12 – находящиеся в области влияния горных работ пробуренные из выработок скважины и мобильная часть дегазируемого ими массива; 13, 14 – пробуренные с поверхности скважины и область дегазируемого ими выработанного пространства действующей лавы.
Таким образом, на основании приведенных исследований можно выделить следующие мобильные участки дегазации массива. Один находятся в призабойной части очистной выработки, он включает пространство выработки и прилегающее выработанное пространство. Его размеры определяются шириной лавы и шагом обрушения непосредственной кровли. Перемещение его в пространстве определяется шириной захвата выемочной техники и количеством циклов выемки угля.
Другой участок включает область, в которой происходит образование трещин в кровле и почве пласта, она примыкает к очистной выработке. Его размеры определяются мощностью вынимаемого пласта, деформационно-прочностными свойствами слагающих кровлю и почву пород шагом осадки основной кровли, глубиной ведения горных работ и рядом других факторов.
Стационарные участки характеризуются наличием разуплотненной среды, они находятся вблизи границ выработанного пространства, например возле монтажных печей [4]. В породах основной кровли образуются полости между осевшей кровлей и зависшими породами-мостами, которые также можно отнести к стационарным участкам. Извлекать из этих полостей метан целесообразно через пробуренные с поверхности скважины. Кроме того, они формируются вдоль сооружений, возведенных для охраны подготавливающих выработок от действия горного давления [5]. Каптаж метана из этих участков осуществляют с помощью, так называемых, барьерных скважин, установок газоотсоса или через оставляемые в выработанном пространстве отростки дегазационных трубопроводов.
При участии автора предложен способ улавливания метана, выделяющегося из транспортируемой по горным выработкам горной массы [6]. В основу его положено создание изолированного канала транспортировки с использованием ленточных конвейеров трубчатого типа и отсос метана из герметизированных бункеров. Детальное исследование этого способа не входило в задачу данной работы.
Анализ приведенных выше данных показывает, что, при интенсивной отработке угольных пластов, для увеличения объема извлекаемого подземными скважинами метана возможны следующие подходы. Ускорение диффузии газа из пород следует достигать за счет уменьшения блочности горных пород, например путем сочетания естественного или искусственного их разрушения, что приводит к уменьшению размеров и увеличению коэффициента формы блоков. Одновременно необходимо обеспечить улучшение фильтрационных характеристик среды усилением их макротрещиноватости, в частности раскрытием и фиксацией ширины трещин [7]. Кроме того, следует изыскивать меры к увеличению протяженности участков углепородной толщи, в которых происходит интенсивный переход газа из связанного в свободное состояние.
1. С учетом выполненных в предыдущих разделах работы исследований установлены пути эмиссии в атмосферу и определены ориентировочные численные показатели расхода в них метана при интенсивной отработке лав на пластах с высокой газоносностью.
2. Проведен анализ современных наиболее распространенных способов попутной дегазации разрабатываемого углегазового массива, определены области их применения и предложены направления комплексной дегазации интенсивно отрабатываемых газоносных пластов, обеспечивающие улавливание 60…80% шахтных углеводородов и соответственное снижение их выбросов в атмосферу.
3. Установлено, что повышение нагрузки на очистной забой приводит к сокращению сроков функционирования подземных дегазационных скважин и снижению количества и качества улавливаемого метана. Предложены новые технические решения, позволяющие без дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат повысить на 20…40% повысить дебит дегазационных скважин.
4. На основе проведенного анализа экологической эффективности комплексного дегазирования горного массива установлено, что она не зависит от производительности шахты, а определяется количеством выделяющегося каптированного метана и продолжительностью выполнения мероприятий по его утилизации.
5. Дополнительный экологический эффект получают, используя уловленный шахтный метан в качестве энергетического сырья. В этом случае можно отказаться от расходования ограниченных традиционных видов топлива, таких как природный газ, уголь, мазут, уран, биотопливо и другие.
6. Реализация разработанных в работе предложений по увеличению дебита подземных дегазационных скважин позволяет за период их существования увеличить количество извлекаемого из массива метана на 20…40%. Использование предлагаемой технологии в течение года, при условии, что в работе постоянно находится один «куст» скважин, позволит обеспечить высокий экономический эффект.