CC BY
49
за низкой газоносности (5-10 м3/т), а в США они являются газопродуктивными.
В Кузнецком и Печорском бассейнах только предпринимаются попытки изучить (с помощью нескольких тестовых скважин) газо-отдачу по наиболее перспективным площадям, установленным и выделенным по комплексу косвенных показателей.
Для дальнейшего развития работ по оценке ресурсного потенциала угольного метана следует выполнить следующие рекомендации по использованию результатов оценки:
- провести тестовые испытания скважин на газоотдачу и мета-нодобываемость угольных пластов и вмещающих пород в различных геологических условиях;
- провести специальные научные исследования и опытные работы по определению эффективности газоотдачи витринитовых низкометаморфизованных углей с невысокой газоносностью марок
Д, Г;
- издать в 2007 году «Методические рекомендации по количественной оценке ресурсного потенциала угольного метана;
- разработать систему общегосударственного учета прогнозных ресурсов угольного метана с выделением объектов с приоритетными условиями для лицензирования;
- наиболее инвестиционно привлекательные участки и площади предложить на конкурсной основе для лицензирования, дальнейшей разведки и промысловой добычи.
Проведенная оценка ресурсов угольного метана должна повысить эффективность государственной политики по использованию недр за счет вовлечения альтернативного экологически чистого источника энергии, что позволит установить более рациональный топливный баланс в угледобывающих и примыкающих к ним районам.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Карасев Г. К. - ВНИГРИуголь.
-------------------------------------------- © В.В. Гурьянов, В. А. Бобин,
2007
УДК 622:331:817:34.81.931
В.В. Гурьянов, В.А. Бобин
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ СПОСОБОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ециалисты США полагают, что добыча угольного метана
_кономически оправдана только тогда, когда природная
проницаемость угольных пластов более 1 мД. В России природная проницаемость пластов в большинстве случаев составляет величину менее 1 мД, поэтому разрабатываемые технологии должны обладать возможностью активного воздействия на угольный коллек-
В настоящее время метод гидрорасчленения угольных пластов принят к внедрению; все остальные методы хотя и апробированы, но их промышленное использование в реальных шахтных условиях еще впереди.
Извлечение угольного метана из недр может осуществляться или заблаговременно, или попутно с горными работами.
Способы заблаговременного извлечения метана из угольных пластов позволяют использовать более 90 % имеющихся ресурсов этого газа, тогда как методами попутной добычи может быть извлечено лишь несколько процентов угольного метана.
Существовало мнение [1] о том, что для заблаговременного извлечения метана из неразгруженных угольных пластов потребуются громадные энергетические затраты. Однако, при этом не учитывалось, что содержащийся в угле метан обладает внутренней энергией межмолекулярного взаимодействия, которая никогда не учитывалась при анализе природной системы «уголь-метан». Естественно, что величина этой внутренней энергии является важной
К наиболее известным активным методам воздействия на горный массив относятся способы разгрузки угольного пласта с помощью вертикальных и горизонтальных скважин пробуренных с поверхности и позволяющие целенаправленно изменять и управлять геомеханическим и газодинамическим состояние пласта с целью интенсификации газовыделения из природных углей [2].
Бурение вертикальных скважин для заблаговременного извлечения метана из неразгруженных угольных пластов, приводит к перераспределению напряжений и разрушению угля в окрестности
тор.
этих скважин. При этом в угольном пласте симметрично оси скважины формируется пять различных зон [3]. Оценка размеров интересующих зон структурной нарушенности в окрестности добычной скважины по минимуму величины дает для зоны предельного равновесия величину порядка 2-3 метров, а для упругой фильтрующей зоны - порядка 1,5-2 м.
Способ заблаговременной дегазации неразгруженных угольных пластов с поверхности с помощью горизонтальных скважин предполагает бурение управляемой скважины с поверхности, которая пересекает намеченный участок пластов и продолжается далее в границах пласта или намеченной зоны напластования до достижения требуемой глубины.
Наименьшее значение проницаемости, при котором дегазация горизонтальными скважинами целесообразна, составляет величину порядка 10 -3 - 10 -5 мД, что характерно для угольных пластов основных месторождений России [4]. При этом одна горизонтальная скважина может заменить 5 вертикальных скважин, а с учетом неоднородности это соотношение может составить 1:20.
Способы заблаговременной дегазации неразгруженных угольных пластов с поверхности путем нагнетания второго газа (азота, углекислого газа или их смеси) применялись успешно на глубоких, неразрабатываемых угольных пластах, но результаты остаются конфиденциальными или изолированных зон, сообщающихся с действующими горными выработками [5].
Поскольку СО2 в подземных условиях шахты является опасным газом, то он не подходит для нагнетания в угли до начала горных работ или для интенсификации газодобычи из выработанного пространства.
Способ заблаговременной дегазации неразгруженных угольных пластов скважинами с поверхности путем изменения геомеха-нического состояния углевмещающей толщи находится на стадии теоретической проработки. При этом результаты моделирования на эквивалентных материалах, имитирующих различное строение толщи сближенных пластов, разную степень и порядок их дегазации, показали, что при извлечении метана из угольных пластов происходит формирование зон разгрузки-пригрузки, аналогичных тем, которые имеют место при добыче угля.
Физическое и компьютерное моделирование геомеханического состояния горного массива при извлечении из него флюидов под-
твердило факт образования в нем зон разгрузки и пригрузки, свидетельствующий, что при этом проявляется своеобразный эффект «подработки-надработки» угольных пластов, оказывающий существенное влияние на их проницаемость и способность к газоотдаче.
Наиболее распространенные способы управления газовыделе-нием из пластов основаны на механизме воздействия на угленосную толщу с целью нарушить равновесное состояние системы "уголь-метан" путем приложения механической или тепловой энергии. В результате чего повышается газопроницаемость угольного массива и формируется направленное движение десорбированного метана в дегазационные выработки и скважины [5].
Неразгруженный от горного давления угольный пласт представляет собой пористую природную систему, которая имеет замкнутые, изолированные между собой поры и является газоносной не фильтрующей средой.
Разгрузка такой среды от горного давления приводит к увеличению проницаемости, появлению трещин и объединению их в фильтрационные каналы, что в свою очередь увеличивает количество десорбированного метана и выделение его в горную выработку или скважину.
При этом учитывается, что растворенный метан является фактором, способствующим росту трещин, т.к. он снижает эффективную трещиностойкость угля, разрывая микроструктурные связи при изменении напряженного состояния угольного скелета, а также уже в свободном состоянии участвует непосредственно в развитии трещины.
Эти данные доказывают, что сорбированный газ обладает упругостью, ранее не учитываемой при анализе системы уголь-метан, а его наличие в угле в несколько раз уменьшает значение трещино-стойкости.
Существующие и разрабатываемые методы интенсификации газовыделения из углей и угольных пластов можно разделить на три большие группы [6-7]. К первой группе относятся методы, основанные на механическом дроблении угля, повышении его газопроницаемости и высвобождении адсорбированных газов, находящихся в макропорах. Вторую группу составляют так называемые физико-химические методы, основанные на растворении неорганических минеральных компонентов угля или на вытеснении сорбированных газов поверхностно-активными веществами. В третью
группу методов входят те, в которых деструкция системы "уголь-газ" осуществляется на молекулярном и надмолекулярном уровне (термобароградиентный и виброволновой (ультразвуковое и электромагнитное воздействие)).
Соответственно и степень дегазации угольного пласта, а значит и скорость газовыделения из него, определяются уровнем деструкции природной системы "уголь-метан", для которой требуется определенная внешняя энергии в зависимости от формы нахождения газовой компоненты в рассматриваемой системе.
Сведения об энергии деструкции природной системы "уголь-газ" приведены в табл. 1 [8].
Среди активных методов повышения газоотдающей способности угольных пластов наиболее действенными в настоящее время оказались способы гидроразрыва (гидрорасчленения, гидродробления и т.п.), камуфлетного взрывания малых зарядов, физикохимического и электрофизического воздействия.
Вторая группа активных методов интенсификации газоотдачи угольных пластов основана на использовании камуфлетных (торпедирующих) взрывов малых зарядов ВВ, размещаемых в дегазационных скважинах. Известно, что при таком воздействии на пласт возникает волна дробления, распространяющаяся от очага взрыва в окружающую среду и обеспечивающая развитие локальных очагов разгрузки, эффективный радиус которых зависит от мощности заряда, физико-механических свойств угля и вмещающих пород, конкретных геолого-структурных особенностей залегания пласта и других факторов.
При торпедировании скважин или взрывании камуфлетных зарядов в угольном пласте образуются зоны разгрузки (рыхления) и переуплотнения (пригрузки), что в 2-3 раза, увеличивает интенсивность дегазации не только за счет повышения трещиноватости и газопроницаемости пород, но и в результате действия механизма «отсоса» газов в очаг взрыва, где формируется волна разрежения.
Эффективность торпедирования скважин или камуфлетного взрывания достаточно высока: газоотдача увеличивается до 5560%, однако развитие этих методов сдерживается их высокой сложностью и трудоемкостью.
Другим эффективным методов интенсификации газоотдачи угольных пластов, направленным на деструкцию микропоровых и надмолекулярных структур угольного вещества, является термоба-
роградиентный способ воздействия на систему «уголь-газ» и реализуемый на основе применения специального скважиннобурового оборудования, обеспечивающего создание на забое скважина высоких перепадов давления и температуры. Возникающие при этом депрессионно-вакуумные эффекты вызывают образование постепенно продвигающихся вглубь угольного пласта зон разупрочнения-сжатия, активирующих деструкцию надмолекулярных структур угольного вещества и интенсивное выделение глубоко капсюлированных газов.
Несомненным преимуществом этого метода является возможность его применения для интенсификации газоотдачи не только средне метаморфизованных каменных углей, но и антрацитов, что существенно увеличивает число возможных объектов для извлечения угольного метана. Указанный метод находится в стадии опытных испытаний на Краснодонецком метаноугольном месторождении Восточного Донбасса.
Особый интерес представляют развиваемые рядом исследователей способы интенсификации процессов дегазации, основанные на вибрационно-волновом воздействии на угольный пласт. В основе этих электрофизических способов находится поэтапное «закачивание» в пласт энергии упругих деформаций с последующим или одновременным воздействием на молекулярные и надмолекулярные структуры угольного вещества средне-высокочастотным электромагнитным излучением (от 60 Гц до 100 МГц).
Однако, принципиальная возможность создания технологии добычи метана не позволяет установить однозначно критерии выбора видов техногенного воздействия на угольный пласт с целью интенсификации его газовыделения, т.к. эти критерии должны отвечать на вопрос о том какой вид воздействия является оптимальным для конкретного угольного пласта, состоящего из угольного вещества достигшего определенной степени метаморфизма [9-14].
В шахтных условиях пока не получены сравнительные тенденции и закономерности, определяющие степень применимости основных видов воздействия для углей различной степени метаморфизма. Эти результаты получены в работе [15].
Конкретно выявлялась реакция природной системы "уголь-газ" на три вида техногенного воздействия, а именно: 1) силовое, 2) тепловое и 3) виброволновое. При этом три вида внешнего воздействия исследованы как теоретически, так и экспериментально.
Эти исследования показали, что методы внешнего воздействия эффективны в своей области изменения степени метаморфизма углей (тепловой -Уг = 2-42 %; силовой - Уг = 2-17,6 %; виброволновой - Уг> 25 %), а в комплексе они перекрывают всю область известных значений степени метаморфизма углей от 2 до 42 %.
В качестве основных критериев выбора видов техногенного воздействия с целью интенсификации газовыделения из угольного пласта выбраны следующие (табл. 2):
1) горно-геологические условия залегания угольного пласта;
2) степень метаморфизма вещества угольного пласта;
3) степень извлечения угольного метана в результате интенсификации газовыделения метана из угольного пласта после применения техногенного воздействия и возможность обеспечения требуемых дебитов угольного метана;
4) энергетические затраты на реализацию техногенного воздействия;
5) энергетические затраты на 1 м3 добываемого угольного метана.
Таким образом, в ходе исследований получены следующие результаты:
- показано, что методы воздействия на угольный массив, способствующие интенсификации количества метана заблаговременно добываемого из угольного месторождения, являются важным элементом технологии промысловой добычи метана;
- наиболее перспективным путем обеспечения физической основы добычи метана из неразгруженных пластов на больших глубинах являются исследования трансформации структуры газоносного угольного вещества на высших уровнях строения;
- выявлено, что методы интенсификации газовыделения из угольных пластов можно разделить на три группы: 1) методы, основанные на механическом дроблении угля, повышении его газопроницаемости и высвобождении адсорбированных газов, находящихся в макропорах; 2) физико-химические методы, основанные на растворении неорганических минеральных компонентов угля или на вытеснении сорбированных газов поверхностно-активными веществами; 3) методы, основанные высвобождении метана на молекулярном и надмолекулярном уровне (термобароградиентный и виброволновой );
- установлено, что силовой вид воздействия наиболее эффективен для углей типа антрацитов, тощих и паровично-спекающихся, т.е. углей, имеющих Уг= 4-17,6 %. Однако, кпд использования энергии гидроразрыва оценивается величиной менее 1 %; тепловое воздействие эффективно практически для углей видов метаморфизма; для достижения существенного эффекта (до 20 %) требуется, чтобы тепловое воздействие проводилось в сравнительно легко достижимом на практике диапазоне температур 40-80 0С; виб-роволновой вид воздействия обеспечивает дополнительный эффект интенсификации извлечения метана за счет воздействия на мезо- и макропоры угольного вещества, т.е. вид воздействия даст наибольший эффект для мезопористых углей, к которым относятся угли с Уг > 25 %.
Таким образом, рассмотренные методы внешнего воздействия на угольное вещество эффективны в своей области изменения степени метаморфизма углей (тепловой -Уг = 2-42 %; силовой - Уг = 217,6 %; виброволновой - Уг > 25 %), а в комплексе они перекрывают весь диапазон известных значений степени метаморфизма углей от 2 до 42 %.
----------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. М., МГГУ, 1996, 32 с
2. Айруни А.Т., Бобин В.А. и др. "Газообильность каменноугольных шахт СССР. Эффективные способы искусственной дегазации угольных пластов на больших глубинах". М.: Наука, 1987, 200 с.
3. Патент РФ № 2159333. Способ дегазации угольного пласта. Бюлл.№32,
2000.
4. Айруни А. Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. М.: Недра, 1981. - 335 с.
5. Айруни А.Т., Бобин В.А. и др. "Газообильность каменноугольных шахт СССР. Эффективные способы искусственной дегазации угольных пластов на больших глубинах". М., "Наука", 1987, 200 с.
6. Airey E.M. Gas emission from broken coal. An experimental and theoretical investigation. Int.J.Rock Mech/Min.Sci., vol 5, pp.475-494. Pergamon Press, 1968.
7. Walker P.L.Ir., Austin L.G. and Nandi S.G. Chemistri and phisics of carbon/ Volume 2. "Activated diffusion of gases in molekularsive materials". Mercel Deccer, Ins., New York, 1966.
8. Отчет "Анализ результатов исследований и промышленных экспериментов по применению искусственных воздействий на горный массив в целях интенсификации извлечения углеводородов из нефтяных, газовых и угольных месторождений". МГГУ, М., 1998, 100 с.
9. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. О возможности повышения газоотдачи угольных пластов на основе управления геомеханическим состоянием углевмещающей толщи. Уголь, № 2, 2006, с. 64-66.
10. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Интенсификация газоотдачи угольных пластов на основе регулирования их напряженно-деформированного состояния. Уголь, № 7, 2006, с. 60-63.
11. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. О государственной поддержке решения проблемы угольного метана в России. ГИАБ. М., МГГУ, 2006 (в печати).
12. Гурьянов В.В. Комплексное освоение георесурсов угленосных отложений и заблаговременное узвлечение угольного метана. ГИАБ. М., МГГУ, 2006 (в печати).
13. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В., Матвиенко Н.Г., Карасев Г.К. Оценка ресурсного потенциала метаноугольных месторождений России и обоснование инвестиционной привлекательности его промышленного освоения. Сб. "Геомехани-ческие и газодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана. IV Международное совещание (Промгаз, ВНИМИ), 2006 (в печати).
14. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Важнейшие вопросы освоения ресурсов метана угольных месторождений. Труды VIII Международной научнопрактической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности." г. Кемерово, ЗАО КВК "Экспо-Сибирь", 2006 (в печати).
15. Броннер Д. Дж., Томпсон С., Ванги В. "Обзор появляющихся технологий извлечения газа", в сб."Сокращение эмиссии метана: доклады II Международной конференции".Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2000, с. 364-372.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Гурьянов В.В., Бобин В.А. - Институт проблем комплексного освоения
недр РАН, Москва.
------------------------------------- © С.А. Кариман, 2007
УДК 622.41
С.А. Кариман
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭКОЛОГИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ПО ФАКТОРАМ ГАЗА И ПЫЛИ И УТИЛИЗАЦИЯ МЕТАНА ПУТЕМ ДОБЫЧИ УГЛЯ КРУПНЫМИ БЛОКАМИ С ВОЗМОЖНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ ДО 40 тыс. т УГЛЯ В СУТКИ
