Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследований 12
1.1. Анализ экологической проблемы угольного метана 12
1.2. Оценка запасов и состояния метана в угольном месторождении Карагандинского бассейна 25
1.3. Проблема обеспечения метанобезопасности средствами дегазации при работе угольных шахт 31
1.4. Анализ технологий утилизации шахтного метана 44
1.5. Анализ возможностей повышения экологической и экономической эффективности угледобычи за счет использования шахтного метана 54
1.6. Цель, идея и задачи исследований 60
Выводы 62
2. Исследования параметров техногенных коллекторов угольной шахты, эмиссии и извлечения метана из этих источников 64
2.1. Эмиссия метана при подготовительных горных работах на шахтах Карагандинского бассейна 64
2.2. Современные представления о формировании техногенного коллектора в выработанном пространстве очистного забоя 74
2.3. Исследования техногенных коллекторов метана, формируемых при гидрорасчленении угольных пластов... 92
2.4. Исследования эмиссии и извлечения метана из очистных забоев Карагандинского угольного бассейна 110
Выводы 123
3. Снижение эмиссии метана и обеспечение метанобезопасности горных работ путем заблаговременной дегазационной подготовки углегазовых месторождений 125
3.1. Принципы управления эмиссией шахтного метана 125
3.2. Снижение эмиссии шахтного метана его заблаговременным извлечением 129
3.3. Снижение эмиссии метана при открытой добыче угля 137
3.4. Обеспечение метанобезопасности горных работ путем заблаговременной дегазационной подготовки угольных пластов '. 153
3.4.1. Анализ эффективности заблаговременной дегазационной подготовки по снижению газообильности очистных забоев 153
3.4.2. Механизм предотвращения выбросоопасности угольного пласта при его гидрорасчленении 163
3.5. Результаты внедрения заблаговременной дегазационной подготовки и снижения эмиссии метана на шахте «Казахстанская» 171
Выводы 176
4. Совершенствование технологии заблаговременной дегазации 177
4.1. Технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов 177
4.2. Совершенствование технологии расчленения угольных пластов на основе использования вспенивающихся растворов и химически активных газов.. 194
4.3. Разработка технологии циклического гидропневмовоздействия с использованием геоэнергии 202
4.4. Совершенствование способов извлечения рабочей жидкости и газа при заблаговременной дегазации 209
Выводы 215
5. Энергетический комплекс утилизации шахтного метана на базе установки ПАЭС-2500 218
5.1. Аналитико-теоретическое обоснование работы установки ПАЭС - 2500 на шахтных метановоздушных смесях 218
5.2. Технические решения, используемые в конструкции комплекса 233
5.3. Результаты испытаний ПАЭС-2500 на шахтных метановоздушных смесях 240
5.4. Направления совершенствования энергетического комплекса ПАЭС-2500 243
Выводы 248
6. Разработка новых технологий сжигания шахтных метановоздушных смесей в форкамере жаротрубного типа и в факеле 251
6.1. Технология сжигания шахтных метановоздушных смесей в форкамере жаротрубного типа 251
6.2. Теоретические основы факельного сжигания метановоздушных смесей взрывоопасных концентраций и разработка газовых горелок для прямого сжигания метановоздушной смеси с концентрацией метана свыше 10 % 259
6.3. Конструкция энергетических установок с форкамерой жаротрубного типа 269
6.4. Результаты исследований и промышленной эксплуатации энергоустановок с форкамерой жаротрубного типа 278
Выводы 279
7. Разработка технологии переработки шахтного метана в технический углерод, электрическую и тепловую энергию 281
7.1. Экологические аспекты энерготехнологической переработки газообразных углеводородов 281
7.2. Исследования процесса переработки шахтного метана в технический углерод на экспериментальной установке 288
7.3. Аналитическое обоснование параметров конвертора шахтного метана 291
7.4. Комплекс энерготехнологической переработки шахтного метана 296
Выводы 298
8. Оптимизация технических решений по снижению эмиссии парниковых газов и себестоимости угледобычи за счет использования энергетического потенциала извлекаемого метана 299
8.1. Методология и алгоритм оптимизации параметров схемы дегазации угольной шахты с учетом использования метана 299
8.2. Методология выбора технологии переработки шахтного метана 304
8.3. Оценка экономической эффективности отдельных способов извлечения метана 320
8.4. Оценка резерва снижения себестоимости угледобычи за счет использования энергетического потенциала извлекаемого метана на примере шахты им. Ленина УД АО «Миттал Стал Темиртау» 330
8.5. Экологическая эффективность использования шахтного метана 333
Выводы 337
Заключение 339
Литература
- Анализ экологической проблемы угольного метана
- Эмиссия метана при подготовительных горных работах на шахтах Карагандинского бассейна
- Принципы управления эмиссией шахтного метана
- Технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов
Введение к работе
Экологическая составляющая проблемы шахтного метана приобретает все большую значимость. Это определяется резким усилением общественного внимания к сохранению озонового слоя и глобальному потеплению климата. В ряду парниковых газов метан занимает второе место после углекислого газа по степени опасности для окружающей среды. В настоящее время основное количество метана, извлекаемого при разработке угольных пластов в странах СНГ, выбрасывается в атмосферу.
В структуре эмиссии в атмосферу метан угольных шахт не превышает 3 %. Но, в отличие от других источников эмиссии этого парникового газа, шахтный метан выделяется локально, с прогнозируемым и достаточно стабильным дебитом, что принципиально позволяет его эффективную утилизацию.
Анализ структуры газового баланса современных очистных забоев Карагандинского бассейна показывает, что относительная газообильность превысила значение в 30 м3 на тонну добываемого угля, а современный уровень эмиссии метана составляет около 330 млн. м3 в год. Из них до 25% извлекается средствами дегазации.
Проблема обеспечения метанобезопасности горных работ продолжает являться приоритетной. По оценке специалистов, при авариях, связанных со взрывами и внезапными выбросами метана, в минувшем веке погибло около 100000 шахтеров.
Метанобезопасность отработки пластов с нагрузками на лаву более 4-5 тысяч тонн в сутки обеспечивается комплексной дегазацией добычного участка с эффективностью 75- 85%. Уровень извлечения метана дегазацией в среднем по Карагандинскому бассейну составляет 7,1 м3 на тонну добываемого угля, а в очистных забоях с эффективной комплексной дегазацией, достигает 20 м3/ т или 75% общего газовыделения.
6 Обеспечение метанобезопасности требует значительных затрат энергии. В частности, энергозатраты на добычу тонны угля составляют до 140 МДж, а из них до 65% - это энергозатраты на вентиляцию и дегазацию. Однако, извлекаемый газ является ценным энергоносителем. При его энергетической переработке коэффициент полезного действия по электроэнергии может составить 0,20-0,35. С учетом полезной энергетической ценности одного кубометра метана в 10 МДж, видно, что при уровне дегазации с энергетической переработкой газа свыше 15 м3 на тонну добываемого угля, этот технологический процесс может быть превращен в коммерчески эффективную, экологичную и комплексную разработку углегазовых формаций.
В настоящее время основное количество метана, извлекаемого при разработке угольных пластов в странах СНГ, выбрасывается в атмосферу. В Карагандинском угольном бассейне шахтный метан в объемах до 25 млн. м3 в год утилизируется сжиганием в котельных, что составляет до 20% газа, извлеченного дегазацией. Экономическая эффективность такой переработки достигается только замещением угля на газ и не превышает 19,4 у.е. на 1000 м3 метана, что не покрывает затрат на его извлечение, в среднем по бассейну составляющих 37,7 у.е. Невостребованность новых технологий утилизации метана, снижающих уровень выбросов этого парникового газа угольными шахтами, обусловлена рядом объективных причин, к которым можно отнести:
- отсутствие экономической заинтересованности во внедрении технологий переработки шахтного метана;
высокий уровень инвестиций на внедрение новых технологий;
укоренившееся представление о дегазации, как о вспомогательном процессе горного производства;
недостаточный уровень и не проработанность технических решений по утилизации метана;
- отсутствие взаимоувязки новых технологий переработки метана с реальными параметрами и объемами его извлечения дегазационными сетями шахт.
Разработка научных основ и создание новых технических решений по извлечению и энергетическому использованию угольного метана, обеспечивающих снижение эмиссии парниковых газов, является актуальной научной задачей.
Целью работы является научное обоснование и создание эффективных технических и технологических решений, обеспечивающих максимальное снижение эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений с энергетическим использованием извлекаемого метана.
Идея работы заключается в учете технологических и экономических критериев при выборе и оптимизации параметров технологии разработки углегазовых месторождений с извлечением и энергетическим использованием метана, обеспечивающих снижение эмиссии парниковых газов и метанобезопасность ведения горных работ.
Методы исследований. В диссертации использовались анализ отечественного и зарубежного опыта, литературных и фондовых материалов, аналитические методы, методы теории вероятностей и математической статистики, лабораторные и натурные исследования с применением апробированных методик.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Экологическая эффективность метанобезопасной разработки
углегазовых месторождений достигается направленным
перераспределением газового баланса шахты за счет заблаговременного
извлечения метана. .
2. Снижение эмиссии метана при открытой разработке газоносного
угля может достигаться на основе применения технологии
заблаговременной дегазационной подготовки, что обеспечивается
s установленными параметрами расположения ряда скважин вдоль фронта подвигания рабочего борта разреза.
3. Разработан и теоретически обоснован механизм, а так же
определены параметры обработки угольного пласта вспенивающимися
растворами, обеспечивающие интенсификацию газоотдачи из
трещиновато-блочной структуры техногенного коллектора,
сформированного в процессе расчленения.
4. Предотвращение выбросоопасности угольного пласта
достигается повышением его проницаемости в результате расчленения,
обеспечивающей эффективный дренаж метана из призабойной части
проводимой выработки и исключающей возможность формирования
выбросоопасной ситуации.
Аналитически обоснованы параметры работы газотурбинных двигателей на шахтных метановоздушных смесях и механизм подачи обедненных метановых смесей на воздушный вход двигателя.
Аналитически обоснованы параметры горелочных устройств, обеспечивающих взрывобезопасность сжигания метановоздушных смесей с концентрацией 10-25%.
7. Обоснован механизм переработки метана в технический углерод,
применение которого позволяет сократить выбросы углекислого газа и
потребление кислорода при выработке тепловой энергии.
8. Проектирование метанобезопасной разработки углегазовых
месторождений необходимо вести с учетом разработанного алгоритма
оптимизации технологической схемы извлечения и использования метана
на угольной шахте.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: удовлетворительной сходимостью результатов теоретических
исследований с экспериментальными данными (погрешность менее
10%);
представительным объемом наблюдений за параметрами извлекаемых метановоздушных смесей при различных способах дегазации;
представительным объемом шахтных исследований по оценке эффективности дегазационной подготовки;
положительными результатами апробации разработанных технологий и оборудования для энергетического использования шахтного метана.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
научно обоснованы и разработаны технические решения по снижению эмиссии метана с его извлечением из техногенных коллекторов при подземной и открытой добыче угля;
установлены закономерности эмиссии и извлечения метана из различных типов техногенных коллекторов;
установлены закономерности формирования техногенных коллекторов методом расчленения угольного пласта активно вспенивающимися растворами;
установлен и обоснован механизм предотвращения выбросоопасности угольных пластов при их гидрорасчленении.
Научное значение работы заключается в научном обосновании и разработке новых технических и технологических решений, обеспечивающих максимальное снижение эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений подземным и открытым способом с энергетическим использованием извлекаемого метана.
Практическое значение работы:
разработаны технологические проекты и апробированы новые технологии и оборудование энергетического и энерготехнологического использования шахтного метана;
разработан алгоритм оптимизации параметров технологической схемы извлечения и использования метана на угольной шахте;
разработан технологический проект и апробирована новая технология извлечения метана, основанная на использовании интенсивного образования двуокиси углерода непосредственно в пласте в процессе его расчленения специальными рабочими агентами.
Реализация результатов работы. Снижение эмиссии метана с заблаговременным извлечением метана реализуется на двух шахтах Карагандинского бассейна (им. Ленина и «Казахстанская»). Разработанная технология расчленения вспенивающимися растворами реализована на поле шахты «Казахстанская» при обработке особовыбросоопасного пласта Дб. На поле шахты «Кировская» промышленно апробирован энергетический комплекс ПАЭС-2500. Созданные энергетические установки с форкамерой жаротрубного типа промышленно применены на шахтах «Кировская», «Сокурская», им. Ленина Карагандинского бассейна.
Разработан и утвержден в установленном порядке технологический проект энерготехнологической переработки шахтного метана.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации докладывались на научно-технической конференции «Проблемы разработки мощных, пологих и наклонных пластов угля подземным способом (Караганда, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивные и безотходные технологии разработки месторождений угольной и сланцевой промышленности (Караганда, 1989), научных симпозиумах «Неделя горняка-2000-2005», на научно-практических конференциях «Экспо-Уголь» (2004-2005), а также на заседаниях ученых советов КНИУИ и научных семинарах и заседаниях кафедр ИЗОС и АОТ.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 29 печатных работах, в том числе в 22 научных статьях, в 4 авторских свидетельствах СССР и 3 патентах Республики Казахстан.
11 Объем и структура. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, содержит 349 страниц текста, в том числе 109 рисунков, 88 таблиц.
Анализ экологической проблемы угольного метана
Добыча и сжигание ископаемого топлива, производство энергии и промышленной продукции, сведение лесов, изменение землепользования, а также некоторые другие виды деятельности человека ведут к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. Усиление парникового эффекта вызывает изменение климата, оказывающее неблагоприятное воздействие на природные экосистемы, экономику и человека. Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК ООН), участниками которой являются 182 страны, в том числе Россия и Республика Казахстан, призвана предотвратить опасное влияние изменения климата путем стабилизации концентрации парниковых газов (ПГ) в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему, снабжение продовольствием и экономическое развитие. В 1997 г. на третьей Конференции Сторон РКИК ООН в г. Киото был принят протокол к Конвенции, который определил количественные обязательства по сокращению выбросов парниковых газов для стран Приложения 1 РКИК ООН. Согласно требованиям Киотского протокола эти страны в первый бюджетный период, установленный с 2008 по 2012 г.г., должны сократить свои выбросы ПГ на 5% по сравнению с их совокупными уровнями выбросов в 1990 г.
Казахстан не включен в Приложение 1, поэтому количественных обязательств по сокращению выбросов пока не имеет. Однако на Четвертой конференции Сторон РКИК ООН Казахстан заявил о своем намерении более активно участвовать в международной деятельности по достижению конечной цели Конвенции в Киотском процессе, а также взять на себя добровольные обязательства по снижению выбросов ПГ. Парниковыми газами, подлежащими учету в соответствии с РКИК ООН, являются газообразные составляющие атмосферы природного и антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение: углекислый газ, или диоксид углерода (СОг), метан (0) и закись азота (N2O). Это газы с прямым парниковым эффектом.
Необходимо отметить, что страны СНГ по эмиссии парниковых газов занимают уникальное положение. В результате существенных изменений в экономике, вызванных реструктуризацией энергетики и топливно-промышленного комплекса, уровень антропогенного выделения парникового газа за последнее десятилетие в этих странах снизился на 30-50% по сравнению с 1990 годом, но с 2001-2002 годов наблюдается достаточно интенсивный рост этих выбросов. В частности, в Казахстане по результатам проведенной инвентаризации нетто-эмиссии, выбросы ПГ составили 308,6 млн. т СОг-эквивалента в 1990 году и 314,2 млн. т СО2-эквивалента в 1992 году. Несмотря на начавшийся спад экономики, нетто-эмиссии в 1992 г. по сравнению с 1990 г. увеличились на 2%. Это связано с изменениями в структуре промышленного производства, в результате которых относительная доля энергоемких отраслей в ВВП возросла. Затем эмиссия парниковых газов резко сократилась. По предварительной оценке общие эмиссии ПГ в 1999 году составили 144 млн. т СО2- эквивалента, что соответствует 46% от уровня эмиссий в 1992 году [1].
В таблице 1.1 приведены данные в СОг-эквиваленте по выбросам газов с прямым парниковым эффектом от основных категорий их источников в Республике Казахстан. Анализ приведенных данных показывает, что наиболее важным источником эмиссий ПГ в Казахстане является энергетическая деятельность, на долю которой в 1992 году пришлось 267,0 млн. т СОг-эквивалента общих эмиссий или 82,3 %.
Эмиссия метана при подготовительных горных работах на шахтах Карагандинского бассейна
При подземной разработке угольных пластов источниками эмиссии шахтного метана являются взаимосвязанные вентиляционная и дегазационная сети. В соответствии с этим, эмиссию шахтного метана можно подразделить на метан, удаляемый средствами вентиляции при подготовительных работах (в настоящее время на шахтах Карагандинского бассейна 20-30% от общей эмиссии); метан, удаляемый средствами вентиляции при очистных работах (50-30%); и метан, извлекаемый дегазацией (до 30-40%).
Рассмотрим схему отработки шахтопласта, отрабатываемого столбами по падению (рис. 2.1), которая применяется в условиях шахты им. Ленина на пласте Дб. Проведение подготовительной выработки приводит к перераспределению горного давления в окружающем угольном и породном массивах, снижению давления метана, увеличению газопроницаемости и частичной дегазации (газоистощению) прилегающего угольного массива. В непосредственной близости забоя пластовой выработки размеры зоны пониженных напряжений (зона, в которой уголь разделен и практически потерял несущую способность) сравнительно малы. Выделение десорбирующегося метана из прилегающих к неподвижным (боковым) поверхностям обнажения угольного пласта в выработку происходит из ограниченной по размерам области пласта. С течением времени зона пониженных напряжений распространяется в глубь угольного массива с убывающим темпом одновременно с перемещением области деформации пласта. На объем метановыделения при подготовительных горных работах влияют мощность разрабатываемого пласта, его газоносность, геометрические размеры зоны разгрузки пласта и газопроницаемость угля в этой зоне.
В зоне пластических деформаций угольного массива вблизи его обнажения горной выработкой вследствие перехода от трехосного к двухосному сжатию происходят деформации угольного массива, сопровождающиеся его растрескиванием, разрыхлением и расширением. Пористость и трещиноватость угольного массива в зоне пластических деформаций увеличивается на 10-15 % по отношению к природным. При этом резко увеличивается газопроницаемость массива, что активизирует процесс десорбции метана из угля. Остаточное давление газа в пласте в зоне пластических деформаций снижается до 0,1- 0,2 МПа. Зона опорного горного давления, располагающаяся за пределами зоны пластических деформаций (по данным исследований ИПКОН РАН [ 7 ]) характеризуется максимальным уплотнением пласта и уменьшением пористости на 10 - 30 % по сравнению с природной. Газопроницаемость угольного массива около пластовой выработки уменьшается в глубь массива от максимальной Я о на поверхности обнажения пласта в выработке до природной Я на границе влияния выработки (рис. 2.2).
Традиционные способы дегазации, основанные на бурении скважин на неразгруженные угольные пласты (бортовая дегазация и пластовая дегазация с перебуриванием контура будущих подготовительных выработок) при увеличении глубины ведения горных работ и снижении газопроницаемости пластов значительно снизили эффективность извлечения метана. На рис. 2.5 представлены известные зависимости удельного газовыделения в пластовые скважины от глубины ведения горных работ [ 7 ], свидетельствующие о том, что в условиях Карагандинского бассейна уже с глубины 450-500 м эффективность этих способов резко снижается. В подтверждение вышеизложенного приведем результаты оценки эффективности извлечения метана бортовыми дегазационными скважинами, проведенной в 2 восточном конвейерном штреке пласта Дб горизонта 100 на шахте имени В.И.Ленина. При средней концентрации метана в извлекаемой смеси 10-15%, съем метана составлял 0,8-1,0 м3/мин, а абсолютная газообильность подготовительной выработки равнялась 7-8 м3/мин.
При длинах лавы в 150-200 метров, съем метана пластовой дегазацией в планируемом контуре проведения подготовительной выработки через скважины, пробуренные существующим буровым оборудованием, практически невозможен
Принципы управления эмиссией шахтного метана
Климатологи межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата IPCC определили, что для стабилизации концентрации парниковых газов на современно уровне, необходимо сокращение выбросов двуокиси углерода более чем на 60%, метана на 15-20%, закиси азота на 70-80%, фторхлорулеродов на 70-85%. Оценки специалистов Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА) практически совпадают с этими величинами.
В 1992 г. Россия подписала и в 1994 г. ратифицировала Рамочную конвенцию ООН об изменении климата. В последующем был подписан Киотский протокол, согласно которому выбросы СОг в период 2008 - 2012 не должны превышать базовый уровень эмиссии 1990 г. В соответствии с п. 12 ст.З Киотского протокола "Любые сертифицированные единицы сокращения выбросов, которые какая-либо Сторона приобретет у другой Стороны в соответствии с положениями статьи 12, прибавляются к установленному количеству приобретающей Стороны". Это положение является базовым для развития системы торговли квотами на выбросы парниковых газов.
Для решения проблемы сокращения выбросов антропогенных парниковых газов важное значение имеет развитие системы торговли квотами на выбросы парниковых газов. Интегрирование в эту систему выбросов метана позволит ускорить реализацию проектов по использованию метана. Однако механизм этой процедуры только формируется, о чем свидетельствует широкий диапазон цены тонны эквивалента двуокиси углерода, которая в 1999 г. изменялась от 0,6 до 30 у.е. за тонну эквивалента, в среднем составляла 1,5 у.е. Следует подчеркнуть, что в эту категорию попадает угольный метан действующих шахт, а не весь угольный метан. Добыча угольного метана с точки зрения Агентства охраны окружающей среды США (без последующей отработки угольных пластов) не расценивается как сокращение эмиссии парниковых газов [ 67 ].
Другой проблемой интегрирования источников эмиссии метана в систему торговли парниковыми газами являются трудности в выявлении и измерении, дебита газа из источников, что приводит к их недостоверной оценке и, следовательно, усложняет определение квот. С этой точки зрения наиболее перспективными являются источники топливно-энергетического комплекса.
Современные проблемы угольной отрасли обуславливают финансирование экологических программ по остаточному принципу. Поэтому для интенсификации работ по сокращению выбросов парниковых газов необходимо заинтересовать мелкие и средние компании не только иностранные, но и отечественные. С точки зрения развития малоотходных технологий наибольший интерес представляют нефтегазовая и угольная отрасли. Определяется это достаточно простой системой контроля, технологичностью и высоким удельным весом выбросов парниковых газов.
Усиление дефицита нефти и газа, наблюдающееся в последние годы, и негативного отношения к атомной энергетике создает весьма благоприятную перспективу для угольной промышленности. Объем мировой добычи угля постоянно растет, по ряду прогнозов добыча угля в 2020 г. увеличится почти в 1,5 раза и достигнет 8,8-109 т. Международным Энергетическим Агентством прогнозируется значительное увеличение производства электроэнергии в период до 2010 г. на электростанциях, использующих уголь, при сохранении его доли в этом производстве. В этом случае из-за увеличения газоносности угля возрастет как абсолютная эмиссия шахтного метана, так и относительная (на 1 т добычи). Необходимо отметить, что выбросы вредных веществ непосредственно предприятиями угольной отрасли в настоящее время относительно невелик. Так, например, в Российской Федерации они составляют менее 2 % общего количества выбросов промышленности [ 68 ]. Доля угольного метана, в общем мировом ежегодном поступлении этого газа в атмосферу не превышает 3,0-3,5%. Однако угольный метан в плане снижения эмиссии парниковых газов имеет большое практическое значение, так как локальность его выделения в атмосферу сосредоточена в выбросах взаимосвязанных вентиляционной и дегазационной сетей шахт. Кроме того, он обладает в 21 раз большим парниковым воздействием за 100 лет по сравнению с ССЬ, чем и объясняется большой интерес к проектам использования метана [ 69 ].
В основу снижения эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений нами заложены принципы управления газовым балансом шахты на всех стадиях ведения горных работ, включая заблаговременную дегазационную подготовку угольных пластов.
Проведем сравнительный анализ извлечения метана средствами вентиляции и дегазации. В 2002 году на шахтах УД АО «Миттал Стал Темиртау»» для вентиляции подавалось в среднем 198366 м3/мин воздуха и выносилось 490,92 м метана. Всего средствами вентиляции было удалено 258 млн. м3 метана при его средней концентрации на исходящей струе шахт 0,247 %. В соответствии с характеристиками вентиляторов главного проветривания, энергозатраты на подачу 1 м воздуха составляют до 5- 8 КДж.
Технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов
Широкий спектр инженерных задач, комплексно решаемых при заблаговременной дегазационной подготовке газоносных угольных пластов, обусловил интенсивное развитие этого способа в плане сочетания различных технологических приемов, химических и физических эффектов при воздействии на эти пласты. Однако основной задачей продолжает оставаться создание развитой системы техногенных трещин в зоне воздействия в радиусе до 150 м от скважины - необходимое условие эффективности этого способа, обеспечивающее связь сформированного техногенного коллектора с дневной поверхностью. На рис.4.1. представлена классификация схем расчленения угольного пласта через скважины, пробуренные с поверхности.
По типу рабочего агента базовые технологии расчленения можно подразделить на: - пневморасчленение пласта; - пневмогидрорасчленение пласта; - гидрорасчленение пласта;
Сущность пневморасчленения угольного пласта заключается в нагнетании сжатого воздуха в пласт через предварительно обсаженные, зацементированные скважины в режиме расчленения, т. е. с темпом нагнетания, превосходящим естественную приемистость пласта. Отличительная особенность пневматического воздействия на угольный пласт - повышение фазовой проницаемости пласта для метана, а также снижение сорбционной способности угля для газа за счет нагрева. Для закачки в пласт воздуха могут применятся компрессорные установки типа КПУ-16/100, 2ВМ4-8/401,ОВГ-3, «Крезе - Луар», «Кларк - Дрестер» и др. [ 31,32 ]. Производственный эксперимент по пневморасчлинению был произведен в Донецком бассейне на поле шахты «Коммунист», где осуществили пневморасчлинение угольного пласта q 2 на глубине 230 м [ 31 ]. Мощность этого пласта -7 м, угол падения 2 - 7 , природная газоносность 16 - 25 м /т. В результате гидродинамических испытаний пласта установлено, что газопроницаемость обработанного участка увеличена более чем на два порядка. Температура выходящей из скважины газовой смеси достигла 180С.
Съем газа при расчетном радиусе обработки 60 м за три года составил 7 м /т. Аналогичная технология была использована на скважинах № 9,10 и 11 того же шахтного поля, где эффективность способа была подтверждена при ведении очистных работ в зонах воздействия.
В Карагандинском угольном бассейне в чистом виде пневморасчленение не производилось в связи с отсутствием необходимого технологического оборудования. Расчеты показывают, что для эффективного раскрытия трещин необходим темп закачки воздуха свыше 180 - 250 м / мин при давлении 12-15 МПа.
Схема включает следующие операции: бурение и оборудование скважины, вскрытие (перфорацию) угольного пласта, собственно расчленение пласта, выдержку рабочих агентов и извлечение газа. В зависимости от решаемых задач эта технология может включать дополнительные воздействия на коллектор, сформированный в результате первичного расчленения: повторное пневмогидрорасчленение, интенсификация газовыделения различными физическими и химическими методами, насыщение массива жидкостью и др.
Важнейшим условием обеспечения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки являются параметры операций на каждом из этапов, оказывающие влияние на характеристики техногенного коллектора -структура, зияние и густота магистральных трещин; величина и геометрия блоков, оконтуренных этими трещинами; структура коллекторной связи блоков угля с магистральными трещинами; сорбционные и десорбционные процессы в блоках (в системе «уголь-жидкость-газ»); устойчивость магистральных трещин и их влагонасыщенность [ 81 ].
Скважина расчленения является инженерным объектом, функционирующим в течение длительного промежутка времени, составляющего до 10-20 лет, на протяжении которого решаются различные задачи, обусловленные развитием горных работ в зоне сформированного техногенного коллектора. Время функционирования скважины можно разделить на следующие периоды : - период расчленение угольного пласта (формирование техногенного коллектора) и его заблаговременной дегазационной подготовки (извлечения метана из техногенного коллектора); - период ведения подготовительных горных работ в зоне техногенного коллектора; - период дополнительного извлечения метана, интенсивность которого может быть усилена пластовой дегазацией массива с повышенной проницаемостью угля; - период ведения очистных горных работ и эксплуатации скважины в режиме извлечения метана из выработанного пространства действующего очистного забоя.
Поэтому к сооружению скважины для заблаговременной дегазационной подготовки предъявляются жесткие требования, обеспечивающие ее сохранность и устойчивость на каждом из этих периодов.
Важной технологической операцией является вскрытие угольного пласта. В настоящее время, в практике заблаговременной дегазационной подготовки используются две основные схемы вскрытия - перфорация и кавернообразование. При перфорации угольного пласта скважина обсаживается рабочей колонной до уровня почвы пласта. Вскрытие пласта осуществляется водопесчанной смесью, подаваемой через перфоратор под давлением. При этом отверстия прорезаются в рабочей колонне с образованием щели - полости в угольном пласте. При кавернообразовании скважина обсаживается до кровли пласта и с помощью перфоратора в этом пласте образуются каверны. Перфорационные щели и каверны служат для первоначального образования сети магистральных трещин в формируемом техногенном коллекторе и для обеспечения его надежной связи со скважиной.
