Проблема промышленного извлечения рассеянного в угольных пластах метана и метанобезопасности в шахтах

Е.А.Колесниченко, д.т.н., проф., И.Е.Колесниченко, д.т.н., Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ)

Исследования возможности извлечения метана из ненарушенных горными работами пластов угля ведутся с 1950 г. В последние годы эти исследования активизировались. Интерес к извлечению метана в промышленных объемах основывается на опубликованных прогнозных его запасах в угольных пластах и на подсчетах тех объемов, которые выбрасываются в атмосферу действующими шахтами. По публикациям запасы метана в пластах в Кузбассе составляют 13 трлн. м3 метана, а в Печорском бассейне -2 трлн. м3. В настоящее время из 64 шахт Кузбасса выделяется в сутки 2.4 млн. м3 метана, из 4 шахт Воркутского месторождения - более 800 тыс. м3. Только в 2004 г. шахтами Кузбасса было выброшено в атмосферу 887.5 млн. м3 метана.

Разработкой научного обеспечения и технологических способов добычи метана в промышленных масштабах из угольных пластов занимается целый ряд научных организаций и предприятий [1, 2]. Исследуется возможность и эффективность добычи метана при помощи скважин, пробуренных с поверхности. Такой способ по замыслу разработчиков должен решить две задачи: добывать энергетическое сырье в промышленных масштабах для коммерческих целей и повысить метанобезопасность в горных выработках во время подземной добычи угля в результате предварительной дегазации пластов.

Обе эти задачи, по нашему мнению, пока не будут иметь эффективного решения из-за отсутствия объективных данных об объектах, которые должны дегазироваться.

Осуществление промышленной добычи метана

Промышленная добыча должна быть рентабельной, чтобы добываемые объемы метана окупали все затраты. Пока такая задача не решена. Пробуренные скважины и испытываемые технологии не дают ожидаемые объемы метана. Причина неэффективности технологий заключается в отсутствии этих объемов в местах бурения скважин. Промышленная добыча метана с поверхности, да и подземная эффективная дегазация, возможны не на всей площади распространения угольных пластов, а только на локальных высокогазоносных участках, которые должны быть идентифицированы до бурения дорогостоящих разведочных или промышленных скважин.

На локальность расположения участков с высокой природной метаноносностью показал и опыт добычи метана в США, где 95% метана добывали в угольном бассейне Сан-Хуан [1]. Из 17 тыс. пробуренных скважин только около 1300 скважин имели высокий дебит метана. При этом только 25 скважин давали в среднем по 220 м3/мин метана. Средний дебит скважин по бассейну составлял 17 м3/мин, а минимальный - 0.26 м3/мин. В бассейне Блэк-Варриор более 3000 скважин давали 1.6 м3/мин. Дебит около 800 скважин был менее 1 м3/мин, а дебит 140 скважин - менее 0.1 м3/мин. Такое различие эффективности работы скважин наблюдалось при одинаковых технологиях извлечения метана. В результате неэффективной добычи метана на отдельных участках некоторые американские компании обанкротились.

Неодинаковый дебит метана из скважин был при добыче метана в угольных бассейнах Блэк-Варриор, Центральные Аппалачи, Вирджиния, Апачи Каньон, Три Бриджис и др.

Анализ показывает, что причиной такой разницы в деби-тах является геологическая составляющая из-за неодинаковой природной метаноносности пласта в местах бурения скважин. Эти различия природной метаноносности в настоящее время пытаются сгладить за счет разработки и применения более эффективных, как предполагается, технологий разрушения угольного массива и повышения его газоотдачи вокруг пробуренных скважин. Что вряд ли даст положительный эффект.

Основной проблемой промышленной добычи метана является идентификация высокометаноносных участков пласта. Не прогнозирование, а идентификация. Прогнозирование, это когда точно неизвестно где эти участки и вероятность их определения низкая. Идентификация позволяет по определенным признакам определить, где могут быть эти высокометаноносные участки пластов.

Для решения этой проблемы нужно изменить концепцию технологов на структурную и метановую характеристику угольного пласта. Прежде всего нужно отказаться от упрощенного эмпирического представления о природной метаноносности и структуре угольного пласта. Представление об угольном пласте, как об однородном материале с постоянными структурно-механическими свойствами (прочностью, упругостью, пластичностью, трещиноватостью) достаточно только для выбора средств механизации для выемки угля. Если считать, что угольный пласт это блочно-трещиноватая среда, в которой находится угольный метан в сорбированном состоянии, то такое представление не дает представления об изменении природной метаноносности по площади распространения угольных пластов. В этом случае участки с высокой природной метаноносностью можно найти случайно при бурении разведочных скважин.

Природную газоносность угольных пластов определяют по пробам, которые отбираются в геологических разведочных скважинах. Однако эти данные не дают информации об изменении метаноносности между этими скважинами. На практике давно известно о локальных изменениях природной метаноносности, о которых узнают по внезапным выбросам метана и угля, по повышенным выделениям метана в горные выработки.

На фото 1 и 2 показаны два фрагмента угольного пласта сложной структуры мощностью около 3 м. В пласте имеются слои прочного и мягкого угля. На фото 1 показан фрагмент прочного слоя. Структура полосчатая. Видны полоски более прочного угля. В верхней части фрагмента имеется трещина очевидно природного происхождения. По всей площади фрагмента видны ячейки, в которых отсутствует угольное вещество и которые могут быть заполнены метаном.

Расстояние между ячейками значительное и газопроницаемость низкая. Разрушить и дегазировать такой слой затруднительно, да и природная метаноносность такого слоя небольшая.

На фото 2 приведен фрагмент мягкого слоя того же пласта. Структура его неоднородна. Имеется значительное количество ячеек, объем которых больше, чем в более прочном слое угольного вещества. Мелкие ячейки разделяются тонкими стенками угольного остова, особенно в верхней части фрагмента. Газопроницаемость этого слоя высокая. Такой слой легко может разрушаться при увеличении горного давления и содержащемся метаном внутри ячеек.

Формирование скопления метана в пласте - это природное явление. В настоящее время является общепризнанным, что все многообразие углей, встречающихся в природе, является результатом разнообразия органического материала, геолого-генетических условий и физико-химических процессов во время торфонакопления. В комплексе все это предопределило образование различной структуры угольного вещества и, самое основное, неравномерность распределения метана в пластах угля.

Органические вещества в процессе торфонакопления в зависимости от локальных условий прошли следующие процессы разложения: гумификацию, гелификацию, битумизацию, фюзенизацию или элювиацию. Сформировавшееся угольное вещество характеризуется уровнем организации. Различают два уровня организации: микрокомпоненты и ингредиенты углей. Угольные пласты являются многослойными образованиями, состоящими из переслаивания углей различных типов и породных прослойков. Ингредиенты обусловливают макро- и микрополосчатую текстуру углей. Угольные пласты состоят из различных ингредиентов. Ингредиенты, содержание которых находится больше на локальных участках пласта, и определяют рассеянную метаноносность угольного вещества, химико-технологические и физико-механические свойства пласта.

Таким образом, все это необходимо учитывать при идентификации участков пласта с повышенной природной метаноносностью, а затем осуществлять бурение скважин и разрабатывать эффективные технологии извлечения метана.

Обеспечение метанобезопасности в горных выработках при подземной разработке угольных пластов

На участках угольных пластов с высокой природной метано-носностью выделившийся метан создает две проблемы. Первая проблема: достижение такой же нагрузки на забой, как и на пластах меньшей метаноносности. Вторая проблема: обеспечение безопасных условий для людей. Опасность проявляется в возгораниях и взрывах метановоздушной смеси, во внезапном выбросе метана и разрушенного угля в выработку во время выполнения людьми производственных процессов. Пока обе эти проблемы не решены на метаноносных пластах.

Промышленное извлечение метана через скважины с поверхности не решит эту задачу. Опыт подземной разработки пластов показывает, что размеры участков с повышенной природной метаноносностью не одинаковы. Такие участки отделены участками с низкой газопроницаемостью.

Для решения проблем повышения нагрузки на очистной забой и обеспечения метанобезопасности необходимо устранить фактор «внезапности» метанопроявлений. Отсутствие достоверных данных о природной метаноносности угольного пласта не позволяет объективно оценить эффективность дегазации, так как на практике часто происходят внезапные выбросы метана из целиков угля шириной 1.5 м между двумя смежными дегазационными скважинами.

Выводы

1.    Рентабельность промышленной добычи метана из угольных пластов зависит от эффективности работы каждой пробуренной скважины. Учитывая опыт других стран, промышленной добыче метана должна предшествовать идентификация высокопродуктивных участков пласта, основанная на знании закономерностей формирования метаноносности во время торфоотложения и углеобразования.

Метод идентификации менее затратен и более надежен по сравнению с бурением дорогостоящих разведочных или тестовых скважин, которые могут быть пробурены между высокопродуктивными участками.

2.    Распространенное представление о метаноносности угольных пластов и их структуре препятствует внедрению новых способов предотвращения внезапных выбросов метана и угля, внезапных выделений метана в горные выработки.

3.    Для обеспечения промышленной добычи метана скважинами с поверхности и метанобезопасности при подземной добыче угля необходимо производить идентификацию участков пласта с повышенной природной метано-носностью.

ЛИТЕРАТУРА:

1.    ЛАПучков, С.В.Сластунов, Г.М. Презент. Перспективы промышленного извлечения угольного метана. - Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: Изд-во МГГУ, №6/2002. - с. 6-10.

2.    КН.Трубецкой, В.В. Гурьянов. Основные итоги реализации проекта «Углеметан» и направления развития научных исследований в России по обеспечению освоения ресурсов метана неразгруженных угольных пластов. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, №6/2002. - с. 11-15.

Журнал "Горная Промышленность" №5 2006