Екологічні проблеми видобутку шахтного метану

Багрій Ігор Дмитрович

Багрій Ігор Дмитрович

Стаття завідувача відділу геоекології та пошукових досліджень Інституту геологічних наук НАН України, кандидата геологічних наук, лауреата державної премії в галузі науки та техніки Багрія Ігора Дмитровича.

Розвиток вугільної промисловості України знаходиться нині у прямій залежності від успішного вирішення питань дегазації вугільних пластів та боротьби з газодинамічними явищами (далі ГДЯ). Збільшення глибин розробки вугільних родовищ веде до ускладнення гірничо-геологічних умов: зниження стійкості виробок, зміни напружено-деформованого стану гірського масиву, збільшення газоносності та викидонебезпеки. Найбільші економічні та соціальні втрати спричиняють ГДЯ: раптові викиди вугілля, породи й газу; гірничі удари, раптові обвалення, прориви газу, видавлення вугілля. ГДЯ є причиною аварій на шахтах та людських жертв. При переході на більш глибокі горизонти газовий режим гірничих виробок (виділення в них метану та інших газів) стає основним чинником, який суттєво впливає на умови безпеки й стримує темпи гірничовидобувних робіт. З 200 шахт України 87% є небезпечними по газу. Тому при видобуванні вугілля однією з найважливіших проблем забезпечення безпеки робіт є видалення метану з вугільних пластів у місцях розробки й тих, де відбувається або планується підготовка до експлуатації вугільних родовищ.

Окрім створення небезпечних умов праці, загрози здоров’ю та життю шахтарів, виділення метану у повітря викликає значне погіршення екологічного стану довкілля, перш за все забруднення атмосферного повітря та підсилення парникового ефекту. У структурі викидів парникових газів в Україні метан займає близько 35%. Викиди метану в процесі видобутку вугілля складають 80% від усіх викидів метану в енергетиці України. Основними джерелами викидів метану з вугільних родовищ є системи вентиляції та дегазації.

Незважаючи на безсумнівні успіхи у розвитку теоретичних й наукових основ боротьби з небезпечними ГДЯ, проблема все ще залишається невирішеною. Кількість раптових викидів газу й порід зростає, що призводить до значних економічних збитків, а головне – до загибелі людей. При відсутності обґрунтованої теорії виникнення й розвитку ГДЯ орієнтування на окремі показники складу, властивостей, газонасичення, деформаційної напруги та тектонічної порушенності вугільних пластів та вміщуючих порід поки що не дозволили розробити надійні методи прогнозування грізних явищ у гірничих виробках. В значній мірі це пояснюється відсутністю комплексних досліджень геологічних умов прояву різних ГДЯ в місцях проходки гірничих виробок та на ділянках, які плануються для проведення геологорозвідувальних робіт. Результати таких досліджень мають бути основою для пояснення природи й механізму ГДЯ та відповідних прогнозів, визначення місць їх проявів.

В той же час, в умовах дефіциту в Україні паливно-енергетичних ресурсів Донецький вугільний басейн розглядається як крупний газоносний регіон, перспективний на виявлення та експлуатацію газових родовищ. В процесі видобутку вугілля щорічно виділяється більше 2 млрд м3 газу (метану), але утилізується лише близько 200 млн м3 (менше 30% від загального обсягу каптованого метану), а залишок спалюється у факелах. В той же час, досвід поводження з газами вугільних родовищ свідчить, що промисловий видобуток газу (метану) вугільних родовищ в Україні став реальністю. Прикладом комплексного вирішення питань дегазації та утилізації метану для виробництва електричної і теплової енергії є реалізація проекту на шахті ім. О.Ф.Засядька, де введено в дію енергетичний комплекс на базі конегераційних установок, та на шахті Томашівська Південна.

Утилізація метану йде двома шляхами. Перший шлях – буріння свердловин і видалення метану шляхом подачі його по трубопроводу споживачу. Другий шлях – буріння дрібних свердловин в районі відпрацьованого гірничого масиву до глибини гірничих виробок. Такі свердловини ув’язані трубопроводом з факельною (когенераційною) установкою, де відбуватиметься спалення газу.

На сучасному етапі освоєння кам’яновугільних басейнів метан вугільних покладів може бути використаний як самостійний, нетрадиційний, відносно доступний та екологічно безпечний вид вуглеводневої сировини, видобуток якої може бути не пов’язаний з діяльністю вуглевидобувних шахт.

Першочерговими заходами щодо забезпечення дегазації вугільних пластів діючих шахт, видобування та використання газу метану з вугільних родовищ на комплексній основі сучасних технологій є: 1) підвищення рівня охорони екологічних умов довкілля, 2) підвищення безпеки та ефективності експлуатації об’єктів видобування вугілля, 3) виявлення реальної газоносності перспективних вугільних ділянок, на яких шляхом буріння свердловин з поверхні може бути організовано видобування та утилізація газу (метану).

Одержання необхідної інформації може бути досягнуто при впровадженні у пошуковий процес експресних, малозатратних методів досліджень. До таких належить комплекс структурно-термо-атмогеохімічних досліджень (СТАГД). В основу комплексу покладені нові науково-методичні та прикладні розробки запатентовані і зареєстровані Державним департаментом інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України. Вони включають комплексні геохімічні, еманаційні, термометричні, космогеологічні та геофізичні дослідження

В результаті вивчення та аналізу матеріалів й даних стосовно широкого кола проблем, пов’язаних з метаноносністю вугільних родовищ Донбасу, було вибрано декілька представницьких площ для проведення комплексних структурно-термо-атмогеохімічних досліджень, зокрема Томашівська та Краснолиманська площі, а також ділянки в межах гірничого відводу шахти ім. О.Ф. Засядька. Метою досліджень було визначення у межах полів діючих шахт, а також шахт, виведених із експлуатації, ділянок, об’єктів підвищеної газоносності та дегазації, картування зон геодинамічної активності, як природного, так і техногенного походження та можливих проявів небезпечних газодинамічних явищ, оцінка геоекологічних умов.

За результатами СТАГД на Томашівській площі та аналізу комплексних показників її геологічної будови, структурного положення і газоносності в межах Томашівських куполів вперше виділені ділянки, перспективні на пошуки вуглеводневих газів (метану) та видобутку метану свердловинами з поверхні.

Схема просторового розміщення на Томашівської площі ділянок, перспективних на видобуток метану свердловинами з поверхні

Проведення комплексних робіт на цих ділянках дозволило локалізувати виходи газів на поверхню з їх подальшою утилізацією для зменшення надходження метану до атмосфери і покращення екологічної ситуації. Завдяки утилізації метану, викиди в атмосферу зменшилися на 174 тис.тон в еквіваленті СО2. До 2014 р. викиди зменшилися ще на 429 тис.тон. Закартовані перспективні площі за технологією СТАГД свідчать про значні концентрації важких вуглеводнів, гелію, водню, що дає підставу сподіватись, щодо проведення більш поглиблених досліджень, які, на думку авторів, відкриють значні поклади ВВ у цьому районі. Тільки на «Томашівці Південній» підраховані запаси складають понад 40 млн.м3, кількість метану в нижче залягаючи горизонтах до глибини 100 м – понад 300 млн.м3, а запаси метану під насувної зони (глибше 1000 м) можуть встановити декілька млрд.м3.

Як було наведено вище, проблеми, пов’язані з вугільним метаном, мають і екологічний аспект, зокрема особливості глобального впливу метану як парникового газу на клімат, забруднення атмосфери та інших компонентів навколишнього природного середовища тощо.

Отриманий позитивний досвід на Томашівських куполах відпрацьованих шахт був застосований в межах поля діяльності шахти ім. О.Ф. Засядька, а саме:

  • виділення прогнозних ділянок на видобуток ВВ;
  • прогнозування зон можливих проявів ГДЯ, що майже співпадають з продуктивними ділянками;
  • випереджальний прогноз ділянок можливої загазованості виробничих штреків з метою закладання вентиляційних споруд, свердловин.

При інтерпретації наявних матеріалів і даних СТАГД для вирішення поставлених задач автори виходили з таких положень:

  • ділянки мінімальних значень показників поля еманаційних газів і, відповідно, підвищених температур на поверхні і в шахтних виробках, картування непроникних блоків з точки зору мінімальних значень вуглеводнів, наявності маркую чого газу, гелію, водню та важких ВВ, про що свідчить про глибинність формування покладу, розглядаються як об’єкти найменш активної геодинамічної діяльності, де існують природні умови для утворення скупчень вуглеводневих газів;
  • зони  тріщинуватості, розущільнення та підвищеної геодинамічної інтенсивності картуються, чи простежуються за максимальними значеннями показників інтегрального коефіцієнту (Rn+Tn+CO2);
  • перетин ділянок зон тріщинуватості та розущільнення гірських порід може розглядатися як місце прогнозної загазованості виробничих площ;

За результатами досліджень була побудована схема просторового розташування ділянок, перспективних на виявлення скупчень вуглеводневих газів (метану) на Північній та Південній ділянках шахти ім. О.Ф.Засядька. На території досліджень було виділено ділянки, які можуть розглядатися як об’єкти для видобутку скупчень метану промислового значення. Крім того, на схемі геодинамічної активності місця можливих проявів ГДЯ чітко співпадають з закартованими продуктивними ділянками на ВВ, як за даними профільних так и площинних досліджень. В разі видобутку газової складової на прогнозних ділянках значно зменшується геодинамічна напруга, а разом з нею ризик можливих проявів ГДЯ, які, як було вказано раніше, чітко співпадають з критеріями перспективних зон та ділянок за СТАГД (непроникні ділянки, підвищення температур, наявність гелію, водню та значний хало-ефект вуглеводневих газів при інтегральних побудовах підсумових карт).

Проведення комплексу СТАГД на шахтному полі діючої шахти Краснолиманська також дозволило визначити перспективні ділянки на виявлення скупчень вуглеводневих газів, можливого видобутку метану чи дегазації вугільних товщ методом буріння свердловин з денної поверхні, просторового положення зон тріщинуватості, розущільнення гірських порід, місць максимальної загазованості шахтного простору. Приурочені до них зони тріщинуватості, розущільнення та місць можливих проявів ГДЯ дає можливість дослідження геодинамічних особливостей вивченої частини шахтного поля. Більшість прогнозних зон тектонічної активності обумовлені неотектонічними та сучасними дислокаціями, які можуть супроводжуватись витоками вуглеводневих газів, створюючи метанове забруднення шахтного простору і довкілля. Місця концентрації таких процесів – це перетини геодинамічних зон, а також місць максимальної загазованості виробничих площ шахтного простору. Вони були закартовані згідно СТАГД приповерхневими методами і відповідно за проекціями в шахтних виробках і зафіксовані як зони найбільшої тріщинуватості за еманаційними атмогеохімічними дослідженнями.

cmm-baagriy-2a

cmm-bagriy-2a-ua

В результаті проведених досліджень доведена доцільність та ефективність впровадження методики СТАГД при уточненні структурних моделей кам’яновугільних родовищ, виділення в їх межах об’єктів, перспективних на видобуток метану з поверхні, картуванні зон підвищеної дегазації шахтних полів, можливих проявів ГДЯ, оцінці екологічного стану територій та вирішення інших прикладних проблем і питань. На основі досліджень розроблені рекомендації щодо впровадження методики СТАГД при геолого­розвідувальних і експлуатаційних роботах на кам’яновугільних родовищах Донбасу.