Науки о Земле
Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения
Велицко В.В., советник Фонда им. Н.К. Байбакова
Хавкин А.Я., доктор технических наук, главный научный сотрудник Института проблем нефти и газа Российской академии наук, профессор Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина, лауреат Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонау-ки и нанотехнологий»
ОЧИСТКА ШАХТНОГО ВОЗДУХА ОТ МЕТАНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОГИДРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Показано, что применение газогидратных технологий позволит очистить шахтный воздух от метана, который затем можно использовать в качестве горючего, а также для энергоснабжения самоходных шахтных машин и шахтного оборудованиия. Выделенный метан также может использоваться в качестве горючего двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell — SOFC). Очистка шахного воздуха от метана снизит аварийность при добыче угля шахным способом.
Ключевые слова: метан, снижение аварийности, переработка и использование, газогидрат.
CLEARING OF MINE AIR FROM METANE WITH APPLICATION GASHYDRATES TECHNOLOGIES
It is shown that application gashydrates technologies will allow to clear of mine air from methane which then can be used as fuel supply including for power supply of the self-propelled mining machines and the mine equpment. Extracted methane also may be used as a fuel in a internal combustion engines (ICEs) and in the high temperature solid oxide fuel cells (SOFC). Clearing of mine air from methane will lower breakdown susceptibility by a coal mining way.
Keywords: methane, reduction in breakdown susceptibility, processing and use, gashydrate.
24 января 2012 г. Председатель Правительства РФ В.В. Путин провел в шахтерском городе Кемерово совещание «Об итогах реструктуризации и перспективах развития угольной промышленности» и подписал «Долгосрочную программу развития угольной промышленности России до 2030 года». В.В. Путин поставил задачу увеличить добычу угля в РФ с нынешних 336 млн. т до 430 млн. т. в 2030 г. При этом В.В. Путиным было отмечено, что уже принято решение вложить дополнительные средства в НИОКРы по безопасности: «В целом сформирован на сегодняшний день целый набор административных и экономических рычагов, обязывающих работодателя строго соблюдать требования безопасности, вкладывать инвестиции в охрану труда. Мы закрепили это на нормативном уровне. Кардинально изменены и принципы оплаты труда горняков, и здесь также акцент сделан именно на безопасность труда, чтобы жизнь и здоровье горняка не приносились в жертву объёмам добычи» [1].
Одним из важнейших аспектов соблюдения техники безопасности при шахтной добычи угля является очистка шахтной воздушной среды от метана, и не просто очистка, а превращение угольного метана в энергетический продукт. За счет использования энергоресурса ме-
149
тана планируется полностью обеспечить предприятия и население Кемеровской области метаном, и за счет метана - электрической энергией [2].
Шахтным способом в России добывается более 100 млн тонн угля в год [3]. Пыль и газообразные продукты в атмосфере горных выработок и на поверхности техногенного массива являются во многих случаях источниками профессиональных вредностей, а также опасности возгораний и взрывов. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля, а взрывы газа и пыли в подземных выработках сопровождается наибольшим числом жертв, а пожары - максимальным экономическим ущербом. Разработка метаноносных пластов продолжает оставаться одним из основных факторов риска взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями [4].
Динамика травматизма со смертельным исходом и аварийности при добычи угля на шахтах РФ показывает, что в шахтах угледобывающих бассейнов России гибнет ежегодно около 100 человек из-за взрывов метана, которые происходят во всех категориях шахт по газу, в целом 30-40 аварий в год [5]. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля (предельно допустимая концентрация (ПДК) метана в воздухе составляет 7 г/м3 [6]).
И все это при постоянном улучшении применяемых способов вентиляции шахт, современных приборов газоанализа. Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в основных выработках добычного участка ещё не является гарантией безопасности ведения работ в конкретном штреке. Эпизодические «всплески» концентрации метана могут превышать допустимые пределы и вызывать его воспламенения, переходящие во взрывы [4].
Доказанные запасы угля в России составляют более 157 млрд. т [7]. Уголь, после метана, является вторым по распространённости в природе полезным ископаемым [7-11], которое может использоваться как в качестве энергоносителя, так и в качестве сырья для промышленного производства. Добыча угля в России осложняется тем, что в нашей стране средняя метаноносность угольных пластов превышает среднемировую метаноносность в 1,7 раза, составляя 8,3 кг метана на 1 т угля [12]. Указанные объёмы запасов угля, а также то, что с сохранением существующих темпов разработки, запасов угля в России хвати на 500 лет [7] ставят задачу по эффективному решению проблемы загазованности шахт угольным газом.
Угольный газ представляет собой смесь различных газов и его состав может варьироваться в широких пределах [13]. Наибольшую опасность при шахтной добыче угля представляют метан и иные углеводородные компоненты угольного газа, суммарная концентрация которых может составлять 99,5% (масс.) при массовом содержании метана 87,2% [14]. Поэтому в наиболее опасным компонентом является метан, хотя энергия активации реакции окисления метана в кислороде незначительно и выше, чем энергия активации аналогичных реакций для этана, пропана и бутанов [15].
Необходимость предварительной дегазации угольных пластов в России определена законодательно [16]. Применительно к задаче дегазации угольного пласта приходится сталкиваться с тем, что эффективное удаление метана из угольного пласта невозможно, пока в нём не будет проведена эффективная деструкция нанополостей, в которых располагается адсорбированный угольный метан, составляющий до 70% метана, содержащегося в угольном пласте. Сложность заключается в том, что относительно легко из угля может быть выделен свободный метан (примерно 30%), и еще частично может быть выделен адсорбированный метан. Однако максимальную сложность представляет извлечение метана, находящегося в виде твёрдого раствора в угле в порах размером 10 нм и менее [17-19]. Предварительная дегазация угольных пластов проводится различными способами, но нанопоры в угольном пласте делают этот процесс весьма затратным и низкоэффективным.
Существующие технологии удаления шахтного метана базируются на минимизации его просачивания во внутришахтное пространство [4, 5, 20, 21], а также на активной вентиляции
150
шахт. Применение вентиляции шахт ограничено тем, что скорость потока воздуха в выработках и призабойном пространстве не должна превышать соответственно 6 м/с и 4 м/с [22], что налагает ограничения на использование приточно-вытяжной вентиляции при протяжённых горных выработках, а также увеличивает затраты на создание вентиляционных систем шахт с протяжёнными выработками.
Отсутствие современных эффективных решений по предварительной дегазации угольных пластов, защите внутришахтного пространства, исключению выбросов во внутришахтное пространство шахтного газа, а также ограниченная эффективность систем вентиляции, приводят к взрывам шахтного метана, как в России, так и во всём мире (рис. 1 [23]).
Ведущие промышленно-развитые угледобывающие страны не могут обеспечить исключение смертности от аварий на шахтах, что означает высокую смертность при каждом очередном миллионе тонн добытого угля (рис. 2 [24]).
Работа шахтёров также осложнена тем, что даже во взрывоопасных угольных шахтах используется дизельные шахтные машины - применяются погрузочно-транспортные машины с дизельными двигателями номинальной мощностью 42-298 кВт [25].
Использование шахтных машин с дизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) обусловлено тем, что в протяжённых горных выработках зачастую невозможно или экономически неоправданно использование машин с иными типами приводов, например с использованием электрических, пневматических или гироскопических аккумуляторов, в связи с относительно низким пробегом на одной зарядке.
Рис. 1. Крупнейшие аварии в мире за период 1835—2010 гг. [23]
151
» США Россия —о—Китай ^^Украина
Рис. 2. Смертельный травматизм в при добыче угля за период 1991—2010 гг. [24]
Практика использования рудничных пневмовозов показала, что пробег на одной зарядке составляет в пределах 5-6 км. при перевозимом грузе в пределах 60-100 т [26, 27]. Также недостатком рудничных пневмовозов являются как высокая удельная масса баллонов для сжатого воздуха, так и предварительное дросселирование сжатого воздуха перед подачей в рабочий цилиндр, что делает пневмовоз наиболее дорогой в эксплуатации шахтной транспортной машиной [27]. В случае зарядки пневмоаккумуляторов пневмовозов от общешахтной пневмосети, их радиус действия ещё больше сокрашается, что позволяет их рассматривать исключительно как вспомогательный транспорт [28].
Неоспоримым преимуществом по экологичности и безопасности обладают рудничные электровозы с индукционной системой питания, однако недостатками данных машин является необходимость прокладки рельс, системы индукционного питания, а также негативное воздействие на персонал электромагнитных полей. В этой связи находят широкое применение шахтные машины именно с дизельным приводом, как более энерговооружённые, маневренные и не требующие прокладки рельсового пути [29].
В соответствии с требованиями [30], шахтные машины с приводом от ДВС должны обеспечивать минимальные выбросы продуктов неполного сгорания и оксидов азота. Минимизация уровня удельного топливопотребления шах
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.