8.2.4. Метан угольных пластов

Метан угольных пластов, или, как его еще называют, шахтный метан, на протяжении сотен лет добычи угля рассматривался

исключительно как «враг» шахтеров, источник взрывов и внезапных выбросов угля и породы в шахтах. На борьбу с ним с целью обеспечения безопасности горных работ и увеличения производительности труда шахтеров затрачивались (и затрачиваются) значительные материально-технические, энергетические и трудовые ресурсы. Метан относится к парниковым газам, он непрерывно выделяется в процессе метаморфизма углей, а также в ходе их добычи и переработки. Интенсивность поглощения длинноволнового излучения Земли метаном в 21 раз выше, чем углекислым газом. Оценка показывает, что при среднем содержании метана в донецких углях 15 м 3 /т и сложившемся в Украине среднегодовом уровне добычи угля (80 млн. т) количество выделяющегося при его добыче, транспортировке и извлечении метана (1,2 млрд. м 3) по вкладу в парниковый эффект эквивалентно сжиганию 9 млрд. м 3 природного газа.

В качестве попутного полезного ископаемого шахтный метан используется в течение более 40 лет, в основном для удовлетворения энергетических потребностей шахт. Как самостоятельный энергетический ресурс метан угольных пластов начал рассматриваться энергетиками с 70-х годов прошлого столетия. Таким образом, проблема дегазации угольных полей имеет три аспекта: обеспечение безопасности проведения горных работ, добыча метана как энергоносителя, снижение выбросов метана в атмосферу.

Таблица 8.7 Запасы метана угольных пластов в основных угледобывающих странах мира

Ввиду отсутствия единых надежных методик определения запасов шахтного метана данные об его запасах сильно отличаются. Их величина в основных угледобывающих странах мира по одному из источников приведена в табл. 8.7.

Ресурсы шахтного метана в Украине по различным источникам отличаются от приведенных в табл. 8.7. По данным бывшего Государственного комитета Украины по геологии, ресурсы метана, рассчитанные по шахтным полям и участкам, подлежащим дегазации, т.е. содержащим более 10 м 3 метана на 1 т горной массы, составляют 1083 млрд. м 3, в том числе в рабочих угольных пластах 562 млрд. м 3, в нерабочих – 521 млрд. м 3 (1988 г.). С учетом газа, содержащегося во вмещающих породах и скоплениях, общие запасы газа в украинской части Донбасса оценивались в 1,3 трлн. м 3, из них извлекаемые могут составить 850 млрд. м 3. Приведенные данные относятся к числу наиболее пессимистических, так как, по мнению некоторых геологов Украины, они получены при разведке на уголь, которая выполнена до глубины 1200 м и лишь по некоторым регионам Донбасса – до глубины 1800 м. По оптимистическим прогнозам, при постановке специальных разведочных работ на газ до глубин 5000–5500 м запасы метана угольных месторождений могут быть существенно увеличены. Рассчитанные по принятой, в частности в США, методике, в основу которой положена плотность ресурса на единицу площади, ресурсы шахтного метана в Украине оцениваются величиной около 12 трлн. м 3 с учетом метана вмещающих пород. При этом средняя плотность ресурсов метана в угольных пластах юго-западной части Донбасса по расчетам украинских и американских геологов составляет от 90 до 107 млн. м 3 /км 2. Однако большинство украинских геологов оценивает ресурсы шахтного метана в Украине в 2,5–3,0 трлн. м 3.

Метан в углях находится в сорбированном на поверхности угольных частиц состоянии, а также в растворенном в органике угольного вещества и свободном состоянии в транс

портных и закрытых каналах и порах. Среднее содержание газа-метана в угольных пластах в зависимости от марки угля характеризуется следующими данными (м 3 на тонну сухой беззольной массы):

марка Д – длиннопламенные 0–5

Г – газовые 5–15

Ж – жирные 10–20

К – коксующиеся 10–25

Т – тощие 10–30

А – антрациты 15–35.

Содержание газа в угле зависит от глубины залегания пластов, степени метаморфизма углей, условий залегания (структуры), многих других факторов. Согласно ряду исследований, средние значения природной метаноносности углей при переходе их от длиннопламенных и газовых к антрацитам возрастают от 8–10 до 30–40, а в суперантрацитах резко снижаются до минимальных значений – 0,3–0,5 м 3 /т сухой беззольной массы. Газоносность многих пластов составляет 20–60 м 3 /т добытого угля и более. Изменение метаноносности в отдельно взятом пласте с ростом глубины его залегания характеризуется максимальным темпом увеличения в начальной стадии и замедленным темпом при достижении глубин 600–1000 м, где газоносность углей достигает сорбционной емкости и стабилизируется.

Средние значения газоносности вмещающих пород колеблются в пределах от 0,2–0,3 до 1,0–1,5 м 3 /т пород, а максимальные значения достигают 1,6–3,6 м 3 /т. Учитывая большую толщину пластов вмещающих пород, общее содержание метана в них может быть весьма значительным и представлять промышленный интерес для его добычи. Считается установленным, что до глубин 1200–1300 м природное метаносодержание в угольных пластах рабочей мощности составляет 40–50% общего объема ресурсов метана, на долю угольных пластов и пропластков нерабочей мощности (менее 0,5 м) приходится 20–30% ресурса и на долю вмещающих пород – 30–40%.

Угольные пласты с высокой газоносностью могут рассматриваться и разрабатываться как комплексные месторождения угля и газа, так как количество выделяющегося газа в ряде случаев приближается к 100 м 3 /т, что в пересчете на теплотворную способность составляет более 10% калорийности угля.

До последнего времени извлечение метана угольных пластов определялось исключительно требованиями безопасности. Извлечение метана осуществляется системами подземной и поверхностной дегазации через скважины, пробуренные из подземных горных выработок и с поверхности земли. В 80-е годы прошедшего столетия в Донецком бассейне дегазация осуществлялась на 115–120 шахтах из 272, эффективность извлечения метана не превышала 25%. Из ежегодно извлекаемых 800 млн. м 3 метана использовалось не более 10%, в основном для отопления шахтных котельных. Анализ деятельности объединения «Донецкуголь» за 10 лет показал, что из всего количества метана, выделившегося при добыче угля, 80% выброшено в атмосферу системами вентиляции шахт, 18% извлечено системами подземной дегазации шахт и 2% – через скважины, пробуренные с поверхности. Метан, содержащийся в вентиляционной смеси, имеет концентрацию 0,2–0,6%. Такая смесь может использоваться как дутьевой воздух энергетических установок, однако эта технология не нашла практического применения. В полученной в процессе подземной дегазации метановоздушной смеси его концентрация достигает на некоторых шахтах 60%, но обычно находится в пределах 25–30%, что ограничивает ее использование в энергетических целях.

Реальные успехи в добыче шахтного метана достигнуты в США. Промышленная добыча шахтного метана начата в этой стране в 1984 г., когда было получено 280 млн. м 3 газа через 284 скважины. К 1997 г. было пробурено уже 7300 скважин, а объем добычи достиг 32 млрд. м 3, что составило 6% общего объема потребления газа. В 2000 г. число пробуренных скважин достигло 8000, а объем добычи составил 35 млрд. м 3. Основная часть газа, добываемого на угольных месторождениях США, получена за счет применения методов интенсификации приплывов газа в скважины, в частности метода гидроразрыва пластов. В то же время с полей действующих шахт извлекается и используется 1,8 млрд. м 3. Общие запасы шахтного метана в США, по последним данным, оцениваются в 27 трлн. м 3, а извлекаемые, по разным оценкам, составляют от 1,35 до 3,8 трлн. м 3. Одним из наиболее весомых факторов, стимулировавших начало активной добычи этого нетрадиционного ресурса, было принятие в 1980 г. закона об альтернативных видах топлива, которым предоставлялась налоговая скидка (tax credit), равная приблизительно 15–20 дол. на у. т добытого или использованного нетрадиционного ресурса. Стоимость газа на головке скважины зависит от многих факторов – глубины залегания угольного пласта, его толщины, проницаемости пород, использования методов интенсификации газоотдачи (табл. 8.8).

Таблица 8.8. Стоимость добычи шахтного метана в основных угольных бассейнах США (данные 2000 г.)

В 1992 г. отменены налоговые льготы, однако к тому времени технология добычи была развита настолько, что её стоимость в большинстве случаев стала в 2–3 раза меньше стоимости добычи природного газа. Опыт США интересен по ряду причин: основная часть газа добывается на тех угольных месторождениях, где добыча угля не производится или вовсе не предполагается; сама технология добычи газа достигла высокого уровня – скважины пробуриваются за несколько дней, процесс добычи полностью компъютеризован, решены проблемы поддержания высокого качества газа и подключения скважин к газопроводам, а также проблемы откачки и отвода минерализованных вод. Важными являются принятие законодательных актов о предоставлении льгот в начальный период разработки месторождений, а также тот факт, что ввиду разбросанности и сравнительно небольшой величины месторождений их разработка осуществляется малыми компаниями.

При прекращении добычи угля и закрытии шахт в ряде западноевропейских стран, а также в Украине происходят сложные газодинамические процессы.

При закрытии шахты из нарушенного горного массива и оставшихся целиков в шахтное пространство продолжает выделяться метан, который постепенно вытесняет из него воздух, при этом в шахте создается газовоздушная смесь с концентрацией метана в среднем 50%. Одновременно происходит сложный газообмен между атмосферным воздухом и шахтным пространством. Через неуплотненный шахтный ствол и прочие неплотности при повышении атмосферного давления воздух поступает в шахту, имеет место и обратный процесс. После остановки шахты поднимается уровень шахтных вод. Если он достигает нижней части шахтного ствола, метан или метановоздушная смесь, давление которых повышается, ищут выход в атмосферу через различные неплотности, а также накапливаются под плотными породами и куполами. Выбросы в атмосферу случаются в непредвиденных местах и могут быть чрезвычайно опасными.

Для предотвращения отрицательных явлений, связанных с поведением шахтного метана при закрытии шахт, применяют откачку воды из шахты; бурение дегазационных шпуров (скважин) в места скопления метана в шахтном пространстве; установление обратных клапанов в шахтном стволе во избежание подсосов воздуха в шахту.

Наиболее радикальными для предотвращения вредного влияния на окружающую среду выбросов метана из закрытых шахт являются его организованная добыча и подача в газопроводы или использование как топлива для котельных или энергоустановок. Положительный многолетний опыт утилизации метана из остановленной шахты накоплены во Франции; в последние годы успешная коммерческая добыча газа из закрытых шахт осуществляется в Германии.

В Украине возможный уровень добычи шахтного метана оценивается в 6–7 млрд. м 3. Территориально месторождения шахтного метана находятся вблизи потенциальных потребителей тепловой и электрической энергии, что увеличивает перспективность его использования, в частности в децентрализованной энергетике.