CC BY
44
---------------------------------- © Л.А. Пучков, С.В. Сластунов,
2009
УДК 622.831
Л.А. Пучков, С.В. Сластунов
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
Приведен критический анализ информации Администрации Кемеровской области по состоянию и перспективам крупномасштабной добычи метана в Кузбассе, дан обзор публикаций по состоянию этого вопроса в США, являющихся лидером в этой области. Обозначена основная проблема шахтного метана — метанобезопасность подземной угледобычи при разработке высокогазоносных угольных пластов и показаны реальные перспективы решения этой проблемы в основных угольных бассейнах РФ.
Ключевые слова: шахтный метан, угольный бассейн, метанобезопасность, горно-геологические условия.
1ТЛ роме известных основных проблем метана при угледо-
-»\ быче в последнее время продолжает активно муссироваться еще одна проблема - реальность крупномасштабной промышленной добычи метана из угольных пластов, причем в самое ближайшее время.
Этому вопросу было посвящено обсуждение в Государственной Думе (комитет по природным ресурсам, природопользованию и экологии, Высший экологический совет) в секции «Экологическая безопасность» 24 ноября 2008 г.
Участники Секции ВЭС в числе прочего решили:
1. Признать положительным опыт работы Кемеровской области по добыче газа метана. Информировать об этом опыте регионы нашей страны, добывающие газ метан.
2. Рекомендовать угольным компаниям страны разрабатывать инвестиционные программы с учетом обязательной дегазации угольных пластов на действующих и стоящихся шахтах.
Рекомендовать - это, к сожалению, только благие намерения, хотя, безусловно, верные.
Информировать о положительном опыте работы Кемеровской области, также очевидно необходимо, что мы и попытаемся сделать. И сделать это не по своей информации (в виду возможной субъективности), а по информации инициаторов работ - Админи-
страции Кемеровской области ОАО «Газпрома», опубликованной в журнале «Уголь», май, 2008. Вот суть этой информации:
Заместитель председателя правления компании «Газпром» А.Г. Ананенков на рабочем совещании с участием губернатора Кемеровской области А.Г.Тулеева подтвердил, что в четвертом квартале 2009 г. в Кузбассе должна начаться промышленная добыча газа метана из угольных пластов.
Как отметил А.Г.Тулеев «мы должны выйти на уровень добычи метана 4-5 млрд. куб. м в год».
Заметим, что на последнем Всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке» была также декларирована масштабная добыча в объеме 8-9 млрд. куб. м в год. Уже в 2009-2010 гг.
В настоящее время предусмотрено бурение 8 скважин на Тал-динском месторождении для пробной добычи метана. Всего в Кузбассе в течение 10 лет планируется пробурить до 1,5 тыс. скважин глубиной от 600 до 900 м.
В настоящее время действуют 4 скважины на научном полигоне «Газпрома» в Прокопьевском районе (Талдинское месторожде-ние).Дебит этих скважин 2,5-3 тыс. куб. м метана в сутки (1,7-2 куб. м в мин.) из 12 вскрытых и обработанных пластов.
Отметим, что более 10 лет назад МГГУ давал отзыв на проект ВНИИГАЗа «Промышленная добыча метана из угольных пластов в Кузнецком бассейне». В указанном проекте предусматривался дебит метана из одной скважины до 80000 куб. м в сутки.
А.Г.Тулеевым констатируется появление в стране новой углегазовой отрасли, а также, что самое важное, заявляется, что добыча метана позволит снизить метанообильность шахт и, тем самым, обеспечить безопасность горных работ в Кузбассе.
Тут, по нашему мнению, происходит подмена понятий, ведь добыча угольного метана ведется вне шахтных полей на благоприятных по горно-геологическим условиям участках, где в ближайшем времени не предусмотрена добыча угля Не совсем корректно и то, что добыча метана будет решать и экологическую задачу, так как парниковый газ метан может выделиться в атмосферу лишь при ведении горных работ, т.е. на шахтных полях. Добыча метана вне шахтных полей к решению этой задачи непосредственного отношения не имеет.
Главное, что нас заставило обратиться к изложенной выше информации Кемеровской области, так это явная необоснованность приведенных выше многократно завышенных цифр о масштабах добычи, а самое главное - это увод проблемы извлечения шахтного метана от решения главных и безотлагательных проблем шахтного метана - метанобезопасности и обеспечению высокоэффективной угледобычи к второстепенной и пока ничем не обоснованной задаче самостоятельной добычи угольного метана..
Необоснованность приведенных цифр о перспективах широкомасштабной добычи угольного метана в Кузбасс можно подтвердить несложными оценочными расчетами. Декларированные 60 тысяч скважин в год с дебитами 2,5 тыс. куб. м в сутки (а это все, что реально было, даже с привлечением авторитетной и хорошо оснащенной фирмы «Шлюмберже») может обеспечить чуть более 50 млн. куб. м метана в год, что на 2 порядка меньше планируемого. 1500 скважин даже указанными выше высокими темпами можно пробурить лишь за 25 лет, но и тогда 1500 скважин (если они все будет успешно функционировать такой период времени, что никак не подтверждено даже мировым опытом) позволит добывать чуть более 1 млрд. куб. м метана.
Средний период функционирования одной скважины 10— 15 лет. Не все скважины эффективно работают такой период. Вывод - и в этом случае вышеприведенная оценка широкомасштабной добычи завышена не менее, чем на порядок.
Об экономической состоятельности работ по добыче угольного метана вне шахтных полей говорить не приходиться, имея в виду тот факт, что энергетический потенциал метана в системе «уголь - метан»даже для высокогазоносных угольных пластов не превышает 2%. Метан надо добывать там, где будет вестись в ближайшие годы добыча угля - на шахтных или резервных полях.
Извлечение метана на шахтных полях - комплексное решение всех основных проблем шахтного метана:
• Обеспечение метанобезопасности при подземной разработке высокогазоносных угольных пластов.
• Обеспечение высокоэффективной работы по добычи угля за счет снятия «газового барьера».
• Решения экологических проблем на базе минимизации газовых выбросов в атмосферу парникового газа метана.
• Извлечение шахтного метана для его использования как дополнительного энергетического источника
Последняя проблема имеет и другой аспект, на котором мы остановились в первой части статьи - самостоятельная добыча метана. Нами были проанализированы результаты извлечения метана на более, чем 10 тыс. скважин основных угольных бассейнов США. Отмечен очень большой разброс результатов, что, по нашему мнению, определяется в первую очередь горно-геологическими условиями.
В США до последнего времени до 80% угольного метана добывалось в районе Скалистых гор, 70% в одном бассейне -Сан-Хуан, в одной сравнительно небольшой его части.
Газоносность - 15-20 м3/т. Средний срок функционирования скважины - 10 лет. На наиболее продуктивной части Сан-Хуана средний дебит достигает 220 м3/мин (средний дебит 25 скважин района Седар Хилл), следовательно, дебит отдельных скважин был еще больше.
В том же Сан-Хуане есть участки со средними дебитами 0,26 м3/мин (участок Ред Меса). В целом по второму по продуктивности бассейну Блэк - Варриор средний дебит в тот же временной период -1,6 м3/мин (более 3000 скважин). Внутри только этого бассейна около 800 скважин (7 районов -Биг Сэнди Крик, Джерни Холт, Литл Сэнди Крик Моиндвилли, Робинзонз Бенд Скотсвилле и др.) имели средний годовой дебит менее 1 м3/мин., а более 140 скважин - менее 0,1 м3/мин В других бассейнах в тот же период, когда в Сан-Хуане добывали угольный метан с дебитом 220 м3/мин, в других бассейнах (центральных Аппалач, Верджинии, Паудер Ривер, Вайоминг) по той же технологии средний дебит составил 0,8 м3/мин (всего более 430 скважин). В бассейнах Апачи Каньон, Три Бриджис - 0, 2 м3/мин.
Необходимо констатировать, что средний дебит газа в США (за исключением крайне благоприятных горно-геоло-гических условий) и срок службы скважин -того же порядка, что в СССР (СНГ) имели при заблаговременной дегазации шахтных полей в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах.
Для ряда горно-геологических условий задача самостоятельной добычи метана актуальна (например, микрогазовое месторождение в Сан-Хуане (США)- месторождение метана в угольных формациях). Однако, если обобщить опыт эксплуатации более, чем
12 тыс. скважин в более, чем 20 бассейнах США, и исключить из обобщения скважины бассейна Сан-Хуан, средний дебит скважин будет на уровне 0,4 куб. м метана в минуту, т.е даже меньше, чем было указано выше для 4-х скважин Талдинского месторождения. И это объективный показатель уровня дебита метана из угольных пластов, так как он определяется структурой неразгруженных угольных пластов и состоянием метана в нем, а также физикой основных процессов массопереноса метана в мельчайших порах и трещинах угольных пластов.
Угольный пласт является сложной низкопроницаемой блочнотрещиноватой средой с большой неоднородностью и анизотропией свойств. До 90-98% угольного метана находится в порах от 0,5 до 1 нм в сорбированном (связанном) состоянии. Перевод его в свободное состояние - процесс весьма длительный и требующий существенного изменения свойств и состояния углегазоносного массива.
Значительная часть порового пространства угольных пластов представлена порами размером от 1 до 10 нм (фольмеровские поры), где осуществляется капиллярная конденсация и диффузия газа; порами размером от 10 до 100 нм (кнудсеновские поры), где имеет место медленная ламинарная фильтрация газа, т.е. процессы переноса метана, требующие значительного времени.
В макропорах (пуазейлевых порах) процесс массопереноса происходит несколько быстрее, где имеет место интенсивная ламинарная фильтрация; и только в условиях видимых пор и трещин имеет место смешанная ламинарная и турбулентная фильтрация, в процессе которой могут быть обеспечены более или менее приемлемые дебиты скважин.
Механизм извлечения метана из низкопроницаемых угольных пластов весьма специфичен и не имеет ничего общего с механизмом истечения газа при эксплуатации чисто газовых месторождений. Все это предопределяет необходимость самого широкого использования опыта ученых и специалистов-угольщиков по извлечению метана в процессе дегазации угольных пластов через скважины с поверхности. По этой технологии за период более 45 лет при участии и под авторским надзором МГГУ были подготовлены к безопасной и эффективной разработке более 20 шахтных полей Карагандинского и Донецкого угольных бассейнов, собран и обобщен огромный научный и экспериментальный материал.
Тенденция смещения работ по извлечению шахтного метана на шахтные поля в последний период времени носит весьма распространенный характер на шахтах США, Австралии, Китая и др. Основной целью комплексных работ является не только получение метана, но и комплексное обеспечение метанобезопасности, для чего дегазационные скважины с поверхности для дегазации неразгруженного пласта в последующем используются как куполовые для дегазации выработанного пространства при подходе горных работ, а также дополняются пластовыми скважинами из подготовительных выработок, которые особо эффективны в зонах гидрорасчленения (гидроразрава) угольных пластов.
В качестве примера приведем краткую характеристику состояния работ на 2 шахтах США «Кумберленд» и «Буханап» с горногеологическими и горнотехническими условиями, близкими к ряду шахт Кузбасса (особенно шахты ОАО «СУЭК-Кузбасс») При газоносности пластов 12-20 куб. м на тонну обеспечивается суточная нагрузка на очистной забой на уровне 15-25 тыс.т в сутки за счет применения трех упомянутых выше способа дегазации (ГРП, пластовая дегазация и вертикальные скважины в выработанное пространство). При этом суммарная эффективность дегазации составляет 75%.Съем метана до начала ведения горных работ -70%.В бассейне последние 8-10 лет буриться по 250 скважин в год.
Аналогичная технология под авторским надзором МГГУ уже много лет применяется на шахтах Шахтинского района в Карагандинском угольном бассейне. Так на шахте им. Ленина получены следующие результаты.
Участок 1 - скв. 1-14
• Общий съем - 20 млн. куб. м (95-97%).
• Съем из 1 скважины - 0,5-2 млн. куб. м/скв.
• Средний съем 5 куб. м/т, макс.-9 куб. м/т.
• Интенсивность газовыделения при бурении газодренажных скважин снижена на 60-80%.
• Интенсивность газовыделения при работе комбайна снижена на 50-80%.
• Газообильность подготовительных выработок снижена на 40-60%.
• Темп проведения подготовительных выработок 50-80 м/мес (10-40 м/мес - на сравниваемом участке).
• Интенсивность снижения газовыделения из очистного забоя снижена на 60%.
• Газовыделение в забое лавы снижена в 1,5-2,0 раза.
• Нагрузка на очистной забой повышена на 20-30%.
Аналогичный подход к проведению комплексной дегазации,
базирующийся на принципе извлечения метана на всех стадиях разработки (в данном случае двухэтапное извлечение метана скважинными с поверхности- в начале из неразгруженного пласта, затем из выработанного пространства и вышележащих подработанных пластов) изложен в «Концепции обеспечения метанобезопас-ности угольных шахт России на 2006-2010 гг.», разработанной Управлением угольной промышленности Росэнерго и МГГУ и согласованной Ростехнадзором (письмо 13-07/701 от 29 ноября 2006 г.
Название настоящей статьи - состояние и перспективы решения основных проблем угольного метана.
Если брать основные проблемы шахтного метана -первые две из обозначенных выше, особенно проблему метанобезопасности, то состояние практически нулевое.
Теперь о перспективах.
В ОАО «Воркутауголь» для шахты «Заполярная» в качестве первоочередных объектов работ по заблаговременной и предварительной дегазации выбраны участки лав 123-с и 514-с. На этих объектах предельно допустимые нагрузки на очистной забой меньше в 4 раза запланированных стратегическим бизнес-планом. Разработаны и утверждены в установленном порядке основная техническая документация (технологические части проектов, Программа и методика работ), определены основные исполнители работ. В сентябре 2008 г. принято решение профинансировать работы на 2 скважинах, затем состоялся перенос на 2009 г. и отмена тендера для потенциальных исполнителей. Если работы не будут проведены в 2009 г., то позднее их проводить будет на указанных объектах нецелесообразно, так как для эффективной дегазации требуется время, которого уже не будет.
Аналогичная ситуация на ряде шахт ОАО «СУЭК-Куз-басс».Например, критическое положение создалось для лав 5208 и 5209 шахты «Котинская», где стратегическим планом развития запланирована нагрузка 20000 т/сут при газоносности более 16 куб. м
метана на тонну. Целесообразность проведение работ по заблаговременной дегазационной подготовке в этих условиях очевидна.
Реализация этих работ в кратчайшие сроки - «момент истины» в части отношения руководства угольных компаний, их собственников, органов надзора, региональных органов к решению проблемы метанобезопасности при подземной разработке угля, [дш
Puchkov L.A., Slastunov S. V.
CONDITION AND PROSPECTS OF THE COAL METHANE BASIC PROBLEMS DECISION
The article gives critical analysis if the information on conditions and prospec-tives of a large-scale methane recovery in Kuzbass provided by Kemerovo region authorities. It also gives an overall review ofpublications of how things stand as far as this question is concerned in the USA, the leader in this field. Methane safety of underground coal mining with high gas content coal seams is identified as the key problem of mine methane. The article shows real prospectives of how to solve the problem at the main coal basins of the Russian Federation.
Key words: mine methane, coal field, methane safety, mining conditions.
— Коротко об авторах ------------------------------
Пучков Л.А. - чл.-корр. РAН, президент МГГУ, Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
