Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автори:	Майдуков, Г.Л., Петенко, А.В., Майдукова, С.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Економічний вісник Донбасу 2007
Теми:	Соціально-економічні проблеми Донбасу
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/16120
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы / Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова // Економічний вісник Донбасу. — 2007. — № 3(9). — С. 4-13. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-16120
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-161202013-02-13T02:46:58Z Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы Майдуков, Г.Л. Петенко, А.В. Майдукова, С.С. Соціально-економічні проблеми Донбасу 2007 Article Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы / Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова // Економічний вісник Донбасу. — 2007. — № 3(9). — С. 4-13. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1817-3772 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/16120 ru Економічний вісник Донбасу
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Соціально-економічні проблеми Донбасу Соціально-економічні проблеми Донбасу
spellingShingle	Соціально-економічні проблеми Донбасу Соціально-економічні проблеми Донбасу Майдуков, Г.Л. Петенко, А.В. Майдукова, С.С. Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы
format	Article
author	Майдуков, Г.Л. Петенко, А.В. Майдукова, С.С.
author_facet	Майдуков, Г.Л. Петенко, А.В. Майдукова, С.С.
author_sort	Майдуков, Г.Л.
title	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы
title_short	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы
title_full	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы
title_fullStr	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы
title_full_unstemmed	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы
title_sort	метан угольных месторождений донбасса: состояние и перспективы
publisher	Економічний вісник Донбасу
publishDate	2007
topic_facet	Соціально-економічні проблеми Донбасу
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/16120
citation_txt	Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы / Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова // Економічний вісник Донбасу. — 2007. — № 3(9). — С. 4-13. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT majdukovgl metanugolʹnyhmestoroždenijdonbassasostoânieiperspektivy AT petenkoav metanugolʹnyhmestoroždenijdonbassasostoânieiperspektivy AT majdukovass metanugolʹnyhmestoroždenijdonbassasostoânieiperspektivy
first_indexed	2025-07-02T17:29:10Z
last_indexed	2025-07-02T17:29:10Z
_version_	1836557114691026944
fulltext	4 Економічний вісник Донбасу Соціально-економічні проблеми Донбасу НАУКОВІ СТАТТІ Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова Г.Л. Майдуков, кандидат технических наук А.В. Петенко, аспирант С.С. Майдукова, магистр, Донецкий научно-исследовательский угольный институт МЕТАН УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ДОНБАССА: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ Вопрос о промышленной добыче метана из уголь- ных месторождений Донбасса весьма актуален и вы- зывает интерес специалистов самого различного про- филя. Однако это обусловлено не только тем, что уголь- ный метан представляет собой природный энергети- ческий ресурс, наиболее экологически безопасный из числа ископаемых углеводородов. Он создает посто- янную угрозу безопасности горных работ в шахте, что существенно усложняет всю систему управления до- бычей угля и требует значительных финансовых, ма- териальных и трудовых затрат для поддержания пре- вентивных мер по защите людей и инженерных со- оружений от возможных взрывов и пожаров. В связи с этими обстоятельствами, а также из-за ограничений скорости потоков воздуха в выработках по медико- санитарным нормам при прочих равных условиях су- щественно снижается технический потенциал наращи- вания добычи угля. Метану принадлежит второе (после углекислого газа) место по эффективности поглощения теплового излучения Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Наблюдаемые в последнее время климатические изменения специалисты во мно- гом связывают с усилением парникового эффекта, вызванного антропогенной деятельностью, в том чис- ле — с выбросами в атмосферу метана и продуктов сгорания органического ископаемого топлива. Между тем ускоряющийся рост интенсивности хозяйственной деятельности в глобальном масштабе со- пряжен с дальнейшим увеличением потребления энер- гетических ресурсов, что приводит к усилению парни- кового эффекта и создает угрозу озоновому слою зем- ной атмосферы. И хотя единого мнения о причинах и роли различных факторов, вызывающих потепление климата, пока что нет, версия выбросов парниковых газов как основной угрозы озоновому слою стала по- водом для принятия ряда международных программ и соглашений по защите окружающей природной сре- ды, начало которым положила Стокгольмская конфе- ренция, организованная ООН в 1972 г. Проблемы, связанные с выбросами в атмосфе- ру парниковых газов, напрямую затрагивают Украи- ну как государство, ратифицировавшее, в числе дру- гих международных соглашений, Киотский протокол. В частности, это касается угольной отрасли промыш- ленности. В связи с этим автор ставит целью настоя- щей публикации обсуждение всего комплекса про- блем шахтного метана, связанных с разработкой уголь- ных месторождений в контексте устойчивого приро- допользования. Генезис метана. В природе известно четыре источника образования метана: • биогенный (результат химической трансформа- ции органического вещества); • бактериальный (результат деятельности бактерий); • термогенный (следствие термохимических про- цессов); • абиогенный (результат химических реакций не- органических веществ). Бактериальный метан образуется в донных от- ложениях болот, лиманов и других водоемов, в про- цессе пищеварения жвачных животных и насекомых (главным образом термитов). Термогенный образу- ется в осадочных породах при их погружении в зем- ную мантию на глубину 3—10 км в результате транс- формации их органической составляющей при вы- сокой температуре и давлении. Абиогенный метан — результат процессов на больших глубинах в земной мантии. Шахтный метан по источнику образования отно- сится к термогенному и образуется в результате пиро- лиза в процессе метаморфизма органических веществ. Растительные остатки содержат большое количество лигнита, который трансформируется в метан. 2007’3 5 Шахтный метан растворен в пленках воды, име- ющихся в угле и содержащих его породах, и нахо- дится в газообразном, жидком и твердом состоянии. В естественном залегании для окружающей среды он опасности не представляет. Но как только пласты вскрывают шахтами и горными выработками — на- рушается баланс системы «газ — уголь», в пласте происходит резкий спад давления до уровня атмо- сферного давления в горной выработке, что обуслов- ливает процесс выделения метана. Сорбированная в угле и породах вода, растворимый метан и другие газы устремляются к выработке, что нередко сопровожда- ется кавитационным шумовым эффектом, пучением и выбросами угля и породы. В газообразном виде метан располагается в при- земном слое атмосферы толщиной 11—15 км, назы- ваемом тропосферой. В атмосферу метан попадает как из естествен- ных, так и из антропогенных источников. В настоя- щее время мощность антропогенных источников (жи- вотные, насекомые, болота, торфяники, тундра, рисо- вые поля, шахты, свалки, горение биомассы, потери при добыче газа и нефти) значительно превышает мощ- ность естественных. Что касается шахтного метана, то степень пиро- лиза преобразованных продуктов обусловлена вели- чиной давления вышележащих осадков. Зависимость качественных изменений донецких углей от мощности вышележащих палеозойских осад- Рис. 1. График зависимости метаморфизма угля от мощности вышележащих палеозойских осадков ков позволяет определить по выходу летучих веществ приблизительную величину мощности вышележащих пород, обусловившей степень метаморфизма углей различных марок — от Д до Т (рис. 1) [1]. Выход летучих веществ не является характерным показате- лем для антрацитов (9—2%), однако степень их мета- морфизма может определяться удельным весом орга- нической массы, последовательно возрастающим от 1,4 до 1,6 кг/см3 по мере увеличения вышележащей толщи палеозоя. Соотношение основных компонентов природных газов (метана, азота и диоксида углерода) закономерно изменяется с глубиной: содержание метана возраста- ет, азота вначале возрастает, а затем снижается, со- держание СО2 уменьшается. По их соотношению вы- деляют четыре зоны [2]. Зона азотно-углекислых газов — СО2 составля- ет более 20%, N2 — до 80%, метан отсутствует. Выде- ление СО2 достигает 15 м3/т. По категории такие шах- ты негазовые. Зона азотных газов — N2 более 80%, СО2 и СН4, вместе взятые, менее 20%. Газообильность по СО2 до 4 м3/т, по метану — 5—10 м3/т. Шахты I и II категорий. Азотно-метановая зона — СН4 20-80,% остальное — азот, в малом объеме СО2. Количество метана до 10—15 м3/т. Шахты III категории по газу. Метановая зона — СН4 более 80%, метанообиль- ность свыше 10—15 м3/т. Шахты III категории или сверхкатегориальные по газу. Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова 6 Економічний вісник Донбасу На наличие генетических связей между степе- нью метаморфизма угля (выход летучих) и газоемко- стью участков месторождения указывают и другие обстоятельства. Например, жидкие углеводороды рас- пространены в отложениях карбона с углями низкой и средней стадий углефикации (марки Д, Г, Ж и пере- ходные к коксовым углям). В отложениях карбона с углями марок К, ОС и Т углеводороды единичны, а в антрацитах и полуантрацитах не обнаружены [3]. Более того, в местах скоплений жидких углево- дородов в отрабатываемых горных отводах шахт нали- чествуют скопления газового конденсата, близкие по компонентному составу к «чисто» газоконденсатным месторождениям. Большие объемы и значительные его дебиты, например, на шахте «Комсомолец» (Донбасс), по утверждению авторов [3], обусловлены максималь- ными газопродуцирующими свойствами углей сред- ней степени метаморфизма (марки Ж и К). Метан угольных месторождений. В специ- альной научной литературе и в средствах массовой информации проблема использования угольного ме- тана, равно как и других органических веществ, в ка- честве альтернативного энергетического ресурса воз- буждает постоянный общественный интерес. Особен- но активизировалась полемика по всем проблемам энергообеспечения в Украине после так называемого «газового кризиса». И это естественно, поскольку на территории угольных месторождений страны в недрах сосредоточены промысловые, т.е. пригодные для про- мышленной добычи, запасы углеводородного сырья, которые не используются как энергетический ресурс. Более того, по мере отработки пластов содержащий- ся в них метан практически целиком растворяется в атмосфере, т.е. безвозвратно теряется. Мировые ресурсы угольного метана оцениваются Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова в 260 трлн куб. м и сосредоточены в основном в место- рождениях КНР, России, США, Австралии, Польши, Германии, Великобритании и Украины (табл. 1) [4]. Приведенные в табл. 1 данные характеризуются большим разбросом «плотности» метана (от 2,6 до 17,5 м3/т), что, как нам представляется, может быть не только следствием неодинакового метаморфизма угля месторождений в различных странах, но и обус- ловлено другими причинами (методология расчета, глубина разведочного бурения и др.). Информация о газовых ресурсах угленосной тол- щи Донбасса достаточно обширна (например, [5—9]), хотя достоверной оценки запасов метана в недрах Украины нет, поскольку расчет произведен по плот- ности ресурса и площади месторождений. Первый из названных сомножителей — величина усредненная. Кроме того, разведочное бурение проводилось в ряде случаев не на полную глубину. По данным бывшего Государственного комите- та Украины по геологии, ресурсы метана, рассчи- танные по шахтным полям и участкам, подлежащим дегазации, т.е. тем, которые выделяют более 10 м3/ч метана на 1 т горной массы, в 1988 г. составляли 1083 млрд. м3 (в рабочих угольных пластах — 562 млрд м3, в нерабочих — 521 млрд м3). С учетом газа, содержащегося во вмещающих породах и скоплениях, общие запасы метана в украинской ча- сти Донбасса оценивались в 1,3 трлн м3, из них мо- жет быть извлечено 850 млрд м3. Приведенные дан- ные относятся к числу наиболее пессимистических, так как, по мнению некоторых геологов Украины, они получены при разведке на уголь, которая вы- полнена до глубины 1200 м, и лишь по некоторым регионам Донбасса до 1800 м, т.е. не учитываются запасы во вмещающих породах. По оптимистичес- Таблица 1 Запасы метана угольных месторождений Страна Уголь, млрд т Шахтный метан, трлн м3 Россия Китай Канада Австралия США Германия Польша Великобритания Украина Казахстан ЮАР, Зимбабве, Ботсвана Индия 6500 4000 7000 1700 3900 320 160 190 140 170 150 160 17—113 30—35 5,7—76 8,5—14,2 11,3 2,8 2,8 1,7 1,7 1,1 0,9 0,9 2007’3 7 ким прогнозам, при постановке специальных разве- дочных работ на газ до глубин 5000—5500 м запасы метана угольных месторождений могут быть суще- ственно увеличены [10]. Газоносность угольных месторождений. Общие ресурсы метана в угленосной толще Донец- кой области на глубинах от 500 до 1800 м оценивают в 12 трлн м3. К наиболее газоносным относят уголь- ные пласты, содержащие от 8 до 40 м3 метана на тон- ну сухой беззольной массы. Практически вся толща горных пород, слага- ющая угленосную часть Донбасса, насыщена мета- ном, который является побочным продуктом мета- морфизации органического вещества в уголь. Ко- личество содержащегося в породах и угле метана плавно увеличивается при возрастании степени пре- образования угля от длиннопламенных марок до тощих и антрацитов. При переходе углей от марки Т (тощие) к А (антрациты) метан практически исчеза- ет и замещается генерацией углекислого газа. По- этому площади Донбасса, сложенные углями ма- рочного состава от Д до Т, считают потенциально газоносными, а угольные шахты, извлекающие эти угли, — газоопасными. Исключения составляют от- дельные площади, где из-за геологического строе- ния территории скорость дегазации углесодержащей толщи превышает генерацию метана (Селидовский район Донбасса) [8]. Метан в угленосной толще содержится в различ- ных фазах. В органическом веществе (угольные пла- сты любой мощности, породы, содержащие углистое вещество, мелкие линзы угля) метан находится в хи- мически связанном, сорбированном состоянии, что затрудняет его выделение в окружающую среду. Газ, выделившийся из углистого вещества, распределяет- ся в породах горного массива в свободном состоя- нии, заполняя поры горных пород, как проницаемых (песчаники, особенно высокопористые крупнозерни- стые), так и слабопроницаемых (аргиллиты (сланцы песчаные) и алевролиты (сланцы глинистые)). Кроме того, метан может накапливаться в трещиноватых зо- Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова нах дробления тектонических нарушений любой мощ- ности, ловушках различных типов, образуя мелкие газовые месторождения. Площадь углегазоносной зоны Донбасса состав- ляет около 6,7 тыс.км2. Продуктивные угленосные отложения залегают преимущественно ниже зоны метанового выветривания (с глубин 150 — 200 м) и определяется по началу выделения метана в горные работы в количестве свыше 2 м3/т. Газоносность угольных пластов — это коли- чество газа, выделяющегося в подземные выработ- ки. Газоносность подразделяют на абсолютную — дебит газа в единицу времени и относительную — количество газа, выделившееся за определенное вре- мя и отнесенное к количеству ископаемого, добытого за тот же период. Газоносность обусловлена выхо- дом газа главным образом с обнаженных выработка- ми поверхностей разрабатываемого пласта и боковых пород, из отбитого от массива угля и породы, а также выделением газа из выработанных пространств, куда газ выделяется из обрушающихся пород и подраба- тываемых пластов и пропластков. Шахты, где выде- ляется метан, подразделяются на категории (табл. 2) [11, с. 497]. Содержание метана в пластах угля изменяется от 5 до 30 — 40 м3/т, что постоянно осложняет разработ- ку угольных месторождений и требует дегазации, эф- фективность которой пока в большинстве случаев не превышает 13—17% [8]. Газонасыщенность вмещающих пород. На территории Донецкой области в целом выделено 6 угленосных районов, где начальные потенциальные объемы свободных скоплений газа оцениваются в 250 млрд м3 на глубинах от 700 до 1800 м. Газоносность песчаников подтверждается интен- сивными газодинамическими явлениями и наблюде- ниями за газообильностью скважин и горных выра- боток шахт. Залежи метана в основном можно счи- тать многопластовыми (от 2 до 8 продуктивных гори- зонтов, перспективных по извлечению метана). Пло- щадь газоносности залежей — от 3 до 30 км2, запасы Таблица 2 Категории шахт по газу Уровень категорийности Газ I II III Сверхкатегориальные Опасные по внезапным выбросам Метан на 1 т добычи, м3 до 5 от 5 до 10 от 10 до 15 15 и более; шахты, опасные по суфлярным выделениям Шахты, разрабатывающие пласты, опасные по внезапным выбросам угля, газа и породы 8 Економічний вісник Донбасу — 0,1—1,5 млрд м3, дебиты дегазационных скважин от 1 до 10 тыс. м3 сут. Песчаники, сосредоточенные в зоне распрост- ранения малометаморфизованных углей (до марки Ж), имеют высокую пористость (до 12—15%), газопро- ницаемость и, соответственно, газоотдачу. С повыше- нием степени метаморфизма углей пористость песча- ников резко снижается (до 3—5% на углях марки К), что требует массированного разрушения массива для активизации метановыделения. Это происходит в про- цессе добычи угля. На этом принципе выполняется дегазация и извлечение метана на поле шахты им. А.Ф. Засядько, когда дегазационные скважины бурятся перед фронтом горных работ и готовятся к приему метана заблаговременно до подработки и раз- рушения массива. Перспективна вся полоса угленосных отложений, относящаяся к Красноармейскому, Южно-Донбасско- му угленосным районам, а также площади Донецко- Макеевского угленосного района, где прогнозные ре- сурсы метана в коллекторах составляют 78,4 млрд м3. Максимальная газонасышенность песчаников в угле- носной толще прогнозируется на глубинах от 1150 до 1500 м. в Центральном, от 1250 до 1650 м в Донецко- Макеевском и от 1700 до 2050 м в Красноармейском угленосных районах, т.е. на глубинах, где разведочное бурение не проводилось. Газовые ресурсы данного типа составляют не менее 10—15% общих запасов метана Донецкой области. Промышленное значение они могут иметь в благоприятных структурно-тектонических ус- ловиях и на техногенных объектах шахтного метана. Газоносность алевролитов изменяется от 0,15 до 1,9 м3/м3, а аргиллитов — от 0,34 до 1,48 м3/м3 и обуслов- лена главным образом наличием углистого вещества и детрита, а также развитием трещинно-поровых и тре- щинных коллекторов [9]. Данные о газоемкости вмещающих пласт гор- ных пород приведены на рис. 2 [11, c. 493]. Эмиссия метана в атмосферу. Свободный Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова Породы СН4, м3/м3 Ангидриды, соли Известняки плотные Глины Песчаники, известняки водоносные Угли каменные Песчаники, известняки нефтеносные Песчаники, известняки газоносные 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 Рис. 2. Преобладающая газоемкость горных пород по метану метан, выделяющийся в атмосферу, — это в основ- ном продукт антропогенной деятельности, связанной с добычей угля. По данным инвентаризации выбро- сов метана шахтами Украины, произведенной за пе- риод с 1999 по 2000 год, его объем прямо пропорци- онален массе добытого угля и составляет в среднем 17,3 кг/т. В пределах от 15 до 90 млн т годовой добы- чи метановыделение описывается эмпирической за- висимостью, полученной с помощью метода наимень- ших квадратов по данным, приведенным в [9]: 5,0) 5,67 (2470 QJ = , (1) где J — количество выделившегося метана на шах- тах Украины, млн м3; Q — годовая добыча, млн т.. Однако, по оценкам специалистов, велика веро- ятность того, что метан выделяется в атмосферу по всей подработанной площади через разломы и раз- личные каналы, образовавшиеся в толще пород и по- чве. Об этом свидетельствуют многочисленные слу- чаи проникновения метана в помещения и на отдель- ные участки земной поверхности [13; 14; 15]. Выяв- лено 62 точки выхода метана на поверхность и заре- гистрировано 60 пожаров, в результате которых пост- радали люди. Точное измерение или расчет этого объема и кон- центрации газа в этом потоке из-за отсутствия надеж- ной информации затруднены, хотя сам факт и продол- жительность переноса газов отдельным исследовате- лям удалось установить. Установление достоверных данных о запасах шахтного метана и объемах его выбросов в атмосфе- ру предприятиями отрасли имеет чрезвычайно важ- ное значение как для выработки сбалансированной энергетической политики правительства Украины, так и для сотрудничества с партнерами по Рамочному соглашению к Киотскому протоколу. Один из послед- них источников такой информации — это инвентари- зация выбросов метана угледобывающими предприя- 2007’3 9 тиями, проведенная организацией «Партнерство по энергетической и экологической реформам» [9], пред- ставлены временные ряды эмиссии СН4 за период с 1990 по 2001 год. Проверка существования временного тренда сред- ней удельной величины выбросов метана (q = кг/т) (тен- денции) проводилась по разности средних уровней двух частей ряда, разбитого на две равные части [15, с.17], т.е. по величине t-статистики, с помощью вы- ражения t = S yy 21 − (2) где 1y и 2y — средние для первой (1990— 1995 гг.) и второй (1996—2001 гг.) половин ряда; 1n и 2n — числа наблюдений в этих группах; S — средние квадратичные отклонения разно- сти средних, вычисляемые по формуле 21 2 2 2 2 2 1 2 1 11 2 )1()1( nnnn SnSnS +⋅ −+ ⋅−−− = . (3) Расчетное значение t оказалось равным 0,8, что меньше табличного значения αt (при числе степеней свободы 1−n и 05,0=P ), равного 2,57. Это по- зволяет принять гипотезу об отсутствии тренда. Одна- ко нестационарность ряда и наличие в нем максиму- ма и минимумов в крайних точках требует дополни- тельной проверки гипотезы об однородности диспер- сий по величине F ) -критерия, равного в рассматри- ваемом случае 60,3/ 2 1 2 2 =SS . Табличное значение F при тех же степенях сво- боды )1( −n и при 05,0=P равно 5,05, т.е. меньше F ) , что позволяет, приняв гипотезу о равенстве дис- персии, использовать метод Фостера-Стюарта [15]. В этом случае ближайшие табличные значения αt для tU и tl (см.: [15, с. 20]) больше 2.20 и превышают вычис- ленные t ) (0,49 и 0,83). Таким образом, гипотеза об отсутствии тренда отвергается. И действительно, сглаживание ряда пятилетней скользящей средней (см. рис. 3-б) указывает на су- ществование тренда во временном ряду суммарной эмиссии метана из всех действующих угольных шахт, отнесенной к массе добытого угля. На рис. 3-а представлен динамический ряд зна- чений объема выбросов метана, отнесенного к добы- че угля шахтами, где осуществляется дегазация угле- породной толщи техническими средствами. Приведен- ные графики свидетельствуют о значительном разма- хе колебаний ординат соседних точек (до 15%) по нестационарности ряда. Ряд сглаженной пятилетней скользящей средней по своему виду представляет плоскую кривую второго порядка (параболу). Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова Рис. 3. Динамика удельных выбросов метана: а — из всех действующих шахт; б — из шахт, осуществляющих дегазацию. 1 — ряд абсолютных значений; 2 — ряд, сглаженный пятилетней скользящей средней; 3 — линия средней арифметической б 27 1 25 3 23 2 21 19 а 17 2 1 15 3 13 1990 1995 2000 Г о д ы q, кг/т Поскольку совокупность угледобывающих пред- приятий отрасли является системой, обладающей зна- чительной инерцией, то вывод о недостаточной дос- товерности информации из-за случайных и неслучай- ных ошибок в измерениях и расчетах представляется вполне вероятным. В 2005 году осуществляла дегазацию углепород- ного массива 41 шахта. Удельная эмиссия метана ко- леблется в пределах 7,2—141,9 кг/т. С помощью ме- тодов математической статистики данные по 10 объек- там, где разность превышала отклонения от средней на 3σ, были отсеяны. Для оставшихся в массиве на- блюдений объектов q = 24,25 ± 9,06 кг/т. При этомм следует отметить, что, например, на девяти шахтах с производительностью более 3 тыс. т в сутки в 2005 году было получено почти 3/4 валовой добычи в До- нецкой области, каптировано 63% метана. Средняя 10 Економічний вісник Донбасу удельная эмиссия метана составила 5,1 кг на тонну добытого угля. Таким образом, большое рассеива- ние данных, наличие нелинейного тренда во времен- ном ряду удельных показателей эмиссии и его высо- кая динамика свидетельствуют о необходимости тща- тельного анализа источников возникших возмущений в информационных массивах. Рассматривая вышеизложенный материал как предварительный маркетинг Донецкого угольного бас- сейна, можно утверждать, что существует достаточ- но оснований для вывода о целесообразности разви- тия на его площади промысловой добычи метана как основного инструмента снижения угрозы земной ат- мосфере, опасности взрывов и пожаров в шахте, улуч- шения социально-экономической обстановки в Дон- бассе и вовлечения в хозяйственный оборот дополни- тельного энергетического ресурса. Промысловая добыча. Наибольшие успехи в добыче шахтного метана достигнуты в США [4]. Его промышленная добыча началась в этой стране в 1984 г., когда было добыто 280 млн м3 газа через 284 скважины. К 1997 г. было пробурено уже 7300 сква- жин, а объем добычи достиг 32 млрд м3, что состави- ло 6 % общего объема потребления газа. В 2000 г. число пробуренных скважин достигло 8000, объем добычи составил 35 млрд м3. Основная часть газа, добываемого на угольных Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова Таблица 3 Стоимость добычи шахтного метана в основных угольных бассейнах США Угольный бассейн Штат Плотность ресурса, скв. /га Стоимость бурения и обустройства скважины, долл. Коэффициент извлечения начальных запасов Стоимость газа на головке скважины, долл. /тыс. м3 Сан-Хуан Колорадо, Нью-Мексико 128 750 000 0,8 4 Блэк Уорриор Алабама, Миссисипи 32 _ * 0,65 9 Аппалаччи Теннесси 32 _ * 0,5 _ * Пайсинс Колорадо 16 834 000 0,15 44,7 Ривер Вайоминг, Колорадо 64 750 000 0,6 13 Рэйтон Колорадо, Нью-Мексико 64 330 000 0,55 6,5 Уинта Юта 64 400 000 0,5 9 Паудер Ривер Вайоминг, Монтана 32 65000 0,5 9 месторождениях США, получена за счет применения методов интенсификации приплыва газа в скважины, в частности, гидроразрыва пластов. Одним из наиболее весомых факторов, стиму- лировавших начало активной добычи шахтного мета- на в США, было принятие в 1980 г. закона об альтер- нативных видах топлива. Субъектам хозяйственной де- ятельности, занятым добычей шахтного метана, пре- доставлялась налоговая скидка (tах credit) в размере 15—20 долл./т у.т. Стоимость газа на головке сква- жины зависит от многих факторов: глубины залега- ния угольного пласта, его толщины, проницаемости пород, использования методов интенсификации газо- отдачи, и поэтому, как видно из табл. 3 (данные 2000 г. [4]), она колеблется в широком диапазоне. В 1992 г. налоговые льготы были отменены, од- нако к тому времени технологии добычи шахтного метана были развиты настолько, что стоимость его добычи в большинстве случаев была в 2—3 раза мень- ше, чем природного газа. Опыт США интересен с технологической точки зрения, поскольку основная часть газа добывается на тех угольных месторождениях, где добыча угля не производится или вовсе не предполагается. Собствен- но технология добычи газа достигла высокого уров- ня: скважины пробуриваются за несколько дней, про- цесс добычи полностью компьютеризирован, решены *Нет данных 2007’3 11 проблемы поддержания высокого качества газа и под- ключения скважин к газопроводам, а также пробле- мы откачки и отвода минерализованных вод. С орга- низационной точки зрения важным является принятие законодательства о предоставлении льгот на началь- ном периоде разработки месторождений, а также тот факт, что ввиду разбросанности и сравнительно небольшой величины месторождений их разработка осуществляется малыми компаниями. При этом следует отметить, что прямой перенос существующих технологий извлечения метана из уг- леносной толщи (разработанных в США) достаточно проблематичен из-за разных горно-геологических условий залегания угленосных пород и физических показателей самих пород, оказывающих прямое вли- яние на извлекаемость метана из массива. В Австралии технологии извлечения газа на шах- тах и вне горных предприятий разрабатывались па- раллельно с США, и некоторые компании (Tipperary, Rio Tinto, BHP) успешно ведут разработку метана уже с середины 90-х годов. Так, на угольном разрезе Моура, штат Квинсленд, извлечение метана начато в 1996 г. Добыча метана ведется горизонтальными сква- жинами, пробуренными по пласту на расстояние до 1500 м; газ поступает на очистительную фабрику, где в соответствии с техническими требованиями обез- воживается, фильтруется, сжимается и далее по газо- проводу высокого давления поступает в города Брис- бен и Гладстон. Правительство штата Новый Южный Уэльс одобрило строительство в районе г. Ньюкасл электростанции мощностью 12 МВт, которая будет ра- ботать на метане, извлекаемом из угольных пластов; планируется осуществление еще нескольких подоб- ных проектов [16]. В Китае ресурсы метана угольных пластов со- ставляют, по оценке компании China United Coalbed Methane Co. Ltd., 30—35 трлн куб. м. Интерес к из- влечению метана из угольных пластов стал здесь про- являться в начале 90-х годов. За прошедшие 10 лет китайскими и иностранными специалистами пробуре- но более 100 опытных скважин на территории уголь- ных бассейнов в восточной части страны. Компании Arco, Phillips, Texaco и Saga Petroleum заключили с китайской компанией China United Coal- bed Methane Co. Ltd. шесть контрактов на разведку и разработку метана. В 2000 г. Texaco Petroleum Co. подписала новые соглашения о совместном изучении ресурсов метана на западе Китая, в частности, в ка- менноугольных бассейнах Джунгар, Шэньфу и Баодэ на площади 6897 кв. км, где потенциальные ресурсы газа угольных пластов оцениваются в 1 трлн куб. м. В настоящее время объем добычи метана в Китае со- ставляет около 0,5 млрд куб. м. Однако к 2005 г. пла- Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова нировалось увеличить годовую добычу до 3—4 млрд куб. м, а к 2010 г. — до 10 млрд куб. м. В Канаде начались экспериментальные работы по извлечению метана на участке Паллисер в провинции Альберта. В проекте участвуют компании PanCanadian и Quicksilver Resoucers. Канадский газовый комитет (Canadian Gas Potential Committee) прогнозирует, что метан угольных пластов, ресурсы которого составля- ют около 8 трлн куб. м (тогда как ресурсы традицион- ного газа в стране — 5 трлн куб. м), в будущем ста- нет основным видом добываемого газа в ряде райо- нов Канады [16]. В Великобритании известная компания Coalgas Ltd. ведет добычу метана из двух заброшенных шахт — Макхрам, расположенной недалеко от города Ман- сфилд, и Ститлей. Компания разработала альтернатив- ный метод извлечения метана посредством его откач- ки через вентиляционные стволы шахт, куда он по- ступает из неотработанных угольных пластов. В 1999 г. компания EuroGas Inc. из США подписала с германской Slovgold GmbH соглашение о проведении шестискважинной пилотной программы добычи ме- тана в Южном Уэльсе. В последние годы американские фирмы EuroGas Inc. и Pol-tex Methane Sp.z.o.o. получили возможность применить разработанные ими технологии добычи ме- тана из угольных пластов в Польше, где, по их оценке, можно извлекать ежегодно несколько миллиардов ку- бометров газа. Так, несколькими пробуренными из шахты Весоло горизонтальными скважинами извлека- ется газ, используемый затем в производстве электро- энергии газовыми турбинами мощностью 2,5 МВт. В России ведутся работы по дегазации и извле- чению метана на шахте им. Ленина в Карагандинском угольном бассейне, где более 8 лет функционируют скважины с поверхности по извлечению метана из осо- бо выбросоопасного мощного пласта Д6. За 8 лет из 14 скважин было извлечено более 18 млн м3 100-про- фентного метана, что позволило снизить газоносность пласта на 6—9 м3/т. Извлечение газа продолжается, ряд скважин в настоящее время имеет дебит более 1—2 м3/мин. В Казахстане в структуру Угольного департамен- та АО «Миттал Стал Темиртау» входят 8 шахт, отраба- тывающих запасы угля в Карагандинском угольном бассейне. Ежегодная добыча угля составляет около 12 млн т. Добыча 1 т угля сопровождается выделени- ем от 15 до 120 и более м3 метана [16]. В Украине добыча угольного метана ведется на шахте им. А. Засядько. Разрабатывается пилотный проект в границах горного отвода шахты «Горская» ГП «Первомайскуголь» и проект для шахты «Холод- ная Балка» ГП «Макеевуголь». Основным источни- 12 Економічний вісник Донбасу ком каптации угольного метана остаются шахтные дегазационные установки. Заключение Утилизация шахтного метана осуществляется различными путями. Это сжигание в топочных уст- ройствах, в двигателях внутреннего сгорания, в ко- огенерационных установках, в качестве дополнитель- ного ресурса для магистральных трубопроводов. Наряду со штатными средствами сжигания и пе- реработки концентрированного угольного метана уже разработаны технологии использования низкоконцен- трированного угольного метана. В их числе можно назвать теплоэнергетические коогерационные модули, которые способны потреблять обедненные метановоз- душные смеси с колебаниями дебита и низкой кон- центрацией метана и вырабатывать при этом не только тепловую, но и электрическую энергию. Поскольку основная масса шахтных выбросов в атмосферу имеет низкую и поэтому взрывоопасную для топливных аг- регатов концентрацию метана, то вопрос его исполь- зования может быть разрешен также с применением каталитического окисления с последующей утилиза- цией тепла отходящих газов. Перспективной представ- ляется технология извлечения метана из низкоконцен- трированных газовоздушных выбросов вентиляцион- ных систем угольных шахт с помощью низкотемпе- ратурной адсорбции, при которой образование хлада- гента происходит вследствие кристаллизационных процессов. При этом попутно возникает возможность решить и такую важную для отрасли проблему глубо- ких шахт, как улучшение в них температурного режи- ма. Весьма перспективная область для угольного ме- тана — нанокерамика (электрохимические источники тока нового поколения). Вместе с другими аргументами в пользу перево- да угольного метана в разряд самостоятельных по- лезных ископаемых следует иметь в виду и то, что использование метана в качестве топлива существен- но снижает его вредное влияние на окружающую при- родную среду, поскольку при его сжигании удельное количество загрязняющих веществ (килограммов на тонну условного топлива) значительно ниже, чем у других видов органического топлива. При сжигании угольного метана выбросов СО2 образуется на 50 % меньше, чем при сжигании угля, и на 25 % меньше, чем при сжигании тяжелого нефтяного топлива, а выбросы пыли не образуются. С точки зрения выпа- дения кислотных дождей, фотохимического загряз- нения, вызывающего разрушение озонового слоя, сжигание метана происходит с образованием очень малого количества парниковых газов. Между тем утилизация (в широком смысле) Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова шахтного метана — это лишь часть проблемы угледо- бывающих предприятий. Монотоварная специализация отрасли была це- лесообразной в первой половине прошлого века из- за стратегической роли угля в обеспечении железно- дорожных перевозок колоссальных грузов на боль- шие расстояния. По мере электрификации дорог, раз- вития большегрузного автотранспорта, развития неф- тегазовой промышленности и атомной энергетики уголь (возможно, временно) утратил своё стратеги- ческое значение. Поэтому экономическое оздоровле- ние угольной отрасли требует масштабной диверси- фикации. В условиях развивающегося процесса перестрой- ки структуры промышленного производства в Укра- ине, ориентирующего государственную политику на безотходное производство как основу экономии при- родных ресурсов и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду, возникает необходимость мар- кетингового эколого-экономического анализа перс- пектив «освоения» всех трех основных составляю- щих отходов профильных предприятий угольной про- мышленности — выбросов в атмосферу, сбросов в гидрографические сети, отходов от проведения, под- держания и ремонта горных выработок и обогащения угля, а возможно, и пересмотра требований к ориен- тации отрасли на используемые месторождения как метаноугольные либо многопрофильные. Важным сти- мулом для осуществления такой стратегии на практи- ке является убыточность отрасли, что в немалой сте- пени обусловлено функциональной потребностью шахт затрачивать большую часть средств и ресурсов на поддержание жизненной среды в горных выработках, их воспроизводство, ремонт, водоотлив, вентиляцию, выдачу на поверхность и складирование породы в отвалы. Анализ процессов, происходящих в экономике Украины, свидетельствует о том, что переход к инно- вационному по своей природе развитию в промыш- ленных отраслях народного хозяйства происходит крайне медленно. В результате высокие энерго- и ре- сурсоемкость производства становятся причиной не- сбалансированности отечественной экономики с эко- номикой ведущих стран мира. Из-за несовместимос- ти технологий, низкой способности к инновациям и инвестициям, из-за структурно-отраслевой, институ- циональной и социально-культурной несовместимос- ти этот разрыв постоянно углубляется и угрожает стать непреодолимым. Между тем мировой опыт свидетель- ствует о том, что в последние годы в развитых госу- дарствах существенно изменилось соотношение фак- торов экономического роста. Доля инновационных факторов становится все 2007’3 13 большей, и среди них наблюдается рост экологичес- ких инноваций, которые в ряде случаев выступают в качестве средства разрешения экологических проблем и ресурсосбережения. И такое направление развития экономики Украины для быстрейшего преодоления застойных явлений, пожалуй, неизбежно. Инновационные вложения, привлечение инвес- тиций со стороны и государственные преференции, системы налоговых льгот и специальных тарифов в принципе способны изменить сложившуюся эколо- го-экономическую ситуацию в отрасли. Системати- зированные данные о ресурсах метана, о концентра- ции в выбросах, способах его утилизации являются важным этапом маркетинговых исследований. Литература 1. Геолого-углехимическая карта Донецкого бассейна. Вып. 8. — М.: Углемехиздат, 1954. — 430 с. 2. Горное дело: Энциклопедический справочник. Т. 2. — М.: Углетехиздат, 1957. — 645 с. 3. Касьянов В.В., Твердовидов, Джамалова Х.Ф., Лакоба М.В. Состав и тип жидких углеводородов в Донбас- се // Уголь Украины. — 1999. — № 10. 4. Криштопа О.А. Перспективы мировой добычи метана угольных пластов как источник первичной энергии // www.kaktus.chita.ru. 5. Алейников Д.В., Кононов Ю.А., Валуконис Г.Ю. Газовые ресурсы угленос- ной толщи Донбасса // Уголь Украины. — 1999. — № 1. — С. 41. 6. Орлов А.В., Бурлуцкий Н.С. Г.Л. Майдуков, А.В. Петенко, С.С. Майдукова Природные и техногенные залежи угольных месторож- дений северо-восточного Донбасса // Уголь Украи- ны. — 2004. — № 3. — С. 34—35. 7. Жикаляк Н.В., Назаренко А.М., Михелис А.В. Природные энер- гоносители и экономика Украины: состояние, пробле- мы, перспективы // Уголь Украины. — 2000. — № 8. — С. 14—19. 8. Авдеева А.М., Зося А.Н. О скоп- лениях (залежах) свободных газов в угленосных от- ложениях юго-западного Донбасса // Уголь Украи- ны. — 2004. — №11. — С. 28—32. 9. Метан вугіль- них родовищ України. Інвентаризація викидів метану з вугільних підприємств України за період 1990— 2001 рр. / Пер. з англ. / Авт.: Д.Р.Тріплет та ін. — К., 2002. — 28 с. 10. Карп И.Н. Метан угольных плас- тов // Экология и ресурсосбережение. — 2005. — № 1. — С. 5—9. 11. Горная энциклопедия. — М.: Сов. эн- циклопедия. — Т.1. — 1984. — 560 с. 12. Печук И.М. Проникновение газов по трещиноватым породам в по- мещения и выработки. — К.: Изд-во АН УССР, 1962. — 111 с. 13. Игашев В.Г., Потова В.А. Формиро- вание скоплений токсичных горючих газов в припо- верхностном слое земли над отработанными пласта- ми угля // Безопасность труда в угольной промыш- ленности. — 1994. — №11. — С. 47—49. 14. Парто- ла В.А. Продолжительность переноса газовыделе- ния до поверхности // Горный журнал. — 1997. — №8. — С. 59—64. 15. Четыркин Е.М. Статистичес- кие методы прогнозирования. — М.: Статистика, 1977. — 200 с. 16. www.kaktus.chita.ru.

Метан угольных месторождений Донбасса: состояние и перспективы

Репозитарії

Схожі ресурси