Тема 5.7 Утилізація метану, що отримують при підземній розробці вугілля

Идея утилизации метана, в изобилии присутствующего в угольных пластах Украины, возникла около 50 лет назад. Ее реализация могла бы решить сразу две важнейшие задачи: обезопасить процесс добычи угля и предоставить дополнительный источник энергоносителей.

Однако до недавнего времени эта идея не получила практического воплощения в промышленных масштабах. Хотя, по разным оценкам, в Донбассе залегает 14-22 трлн куб м метана, лишь немногие предприятия используют его в котельных, отапливающих шахтные помещения, или для выработки электроэнергии. Правда, кое-где появились АЗС для заправки автотранспорта шахтным метаном.

Первая из этих задач была актуальной всегда: дегазация шахт — это на сегодняшний день, фактически, единственный способ обезопасить труд шахтеров. Из этих соображений откачке газа из пластов с повышенным содержанием метана всегда старались уделять серьезное внимание. По данным Макеевского научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ), в 1990 г. в Донбассе эта процедура применялась на 92 шахтах, но по мере их ликвидации, это число сократилось до 43.

Были попытки решить и вторую задачу — использование добытого метана. Так, на шахте им.Горького в 80-х этим газом нагревали воду для шахтерской бани. В конце 90-х в поселке Угледар построили первую в регионе газонаполнительную автостанцию, на которую подавали метан, добытый в порядке подготовки к разработке новых угольных полей. Но все это — капля в море…

В 2001 г. в Украину пришли иностранные компании, которые были готовы инвестировать в добычу метана. Этот газ можно было бы использовать либо для нужд региона (американское предложение), либо для производства э/э на экспорт (японский проект).

Однако предложенные ими условия не понравились местным властям. Поэтому первый в Украине проект полномасштабного промышленного использования шахтного метана был реализован гораздо позже, на шахте им.Засядько, где решили приобрести модульную станцию утилизации метана австро-американского производства. Сейчас этот газ используется для выработки э/э, отопления и заправки грузового автотранспорта.

Тем не менее, широкомасштабное внедрение подобных технологий в промышленность задержится, скорее всего, надолгоиз-за сибистоимости в трое превышающей закупочные цены.

Поэтому все зависит от целей. Если речь идет о дегазации угольных пластов с целью обезопасить труд шахтеров, то использование добытого газа обеспечит определенную экономию затрат на эти жизненно необходимые мероприятия.

Однако все же главная проблема — геологические особенности Донецкого региона и связанные с ними физические характеристики угольных пластов. Которое ставит под вопрос возможность использования зарубежного опыта.

По словам специалистов МакНИИ, наличие огромных запасов метана в Донбассе создает обманчивое впечатление, что существует реальная возможность его добывать. Однако это возможно, на самом деле, только одновременно с добычей угля, в порах которого находится газ.

Дело в том, что в США и Китае толщина угольных пластов обычно составляет около 20 м, и они обладают высокой проницаемостью. Поэтому в этих странах метан добывают не шахтным способом, а через скважины, которые бурят прямо с поверхности. По этой технологии производится гидравлический удар на угольный массив, и в нем образуются микротрещины. Затем в массив под большим давлением закачивают воду, которая заполняет трещины песком. Далее воду откачивают, а песок свободно пропускает метан по расширенным трещинам к скважине, по которой газ поступает на поверхность.

*Однако в Донбассе максимальная мощность пласта угля составляет 2 м. Кроме того, у украинских пластов проницаемость, как правило, очень низкая. Поэтому традиционные американские технологии в данной геологии непригодны.

В МакНИИ уверены, что добывать газ можно только при проведении горных работ. При добыче угля на глубинах около 1000 м метан в пластах подвергается давлению около 100 атм. При разработке угольного массива, находящиеся над ним пласты смещаются, и давление снижается до 10-50 атм. При этом из пор выделяется метан, который по трещинам и пустотам двигается в сторону меньшего давления — к выработке. Чтобы газ не попал в забой, из шахты бурят скважины, пересекающие зоны его движения, и до 70% газа уходит в эти скважины. При помощи вакуумного насоса его по системе труб откачивают на-гора.

В вентиляционной струе концентрация метана слишком низкая для промышленного использования. Однако эта проблема, в принципе, разрешима. Так, краснодарская фирма "Роском", основываясь на разработках Краснодарского политехнического института, начатых еще в 60-е годы, предложила шахте им.Засядько оптимальные технические решения этой проблемы.

Компания выиграла тендер, предложив использовать в проекте ее центробежный вихревой газожидкостный сепаратор (СЦВ), который дает возможность быстро и дешево выделить из любого потока его составляющие. Один сепаратор предназначен для отделения метана от шахтного воздуха с последующей его концентрацией до уровня, достаточного для сжижения или сжигания на тепловой электростанции. Второй был установлен в шахтный ствол, чтобы вентилируемый из лавы воздух поступал в "метановый" сепаратор уже очищенным от угольной пыли и влаги. Это необходимо, поскольку скапливаясь в грязевую смесь, данные компоненты регулярно забивают шахтные стволы, из-за чего насосная станция перестает справляться с прокачкой воздушно-грязевой массы с километровой глубины.

Разумеется, идея промышленной добычи метана до разработки угольных пластов гораздо более привлекательна со всех точек зрения. Однако технологических решений, пригодных для Украины, пока не существует. Возможно, они появятся в будущем, а пока все проекты добычи метана, которые реализуются в Украине, ориентированы, в первую очередь, на безопасность труда шахтеров.

Фактически, в рамках подобных проектов можно обеспечивать газом энергетические потребности только самой шахты.

Тема 5.8.2. Умови утворення твердих горючих копалин

При розгляді умов утворення гумітів найбільший інтерес становлять процеси торфоутворення й вуглеутворення. За даними Ю.А. Жемчужникова, весь процес вуг-леутворення варто поділити, у свою чергу, на дві послідовні стадії:

а) діагенез;

б)метаморфізм.

Відповідно до цього, найпоширеніший у природі процес утворення гумітів мо­же бути представлений наступною схемою:

1. Торфоутворення - відбувається в основному на базі болотної рослинності.

2. Вуглеутворення:

а) діагенез, тобто перетворення торфу на щільне буре вугілля,

б) метаморфізм, тобто еволюція бурого вугілля, перехід його у кам'яне вугілля, еволюція кам'яного вугілля і перетворення його на антрацит.

Про характер і напрямок процесів, які протікають при діагенезі, можна судити на підставі порівняння властивостей типових зразків торфів і бурого вугілля. Найбільш помітно ці розходження виявляються в груповому хімічному складі. Так, у той час, як у торфі містяться складові частини рослин (вуглеводи, лігнін й ін.), у бурому вугіллі вони вже майже відсутні.

Гумінові кислоти виявляються як у торфі, так і в бурому вугіллі, але при торфоут­воренні відбувається нагромадження гумінових кислот, а в бурому вугіллі коли його зрі­лість збільшується, кількість гумінових кислот зменшується. Вміст вуглецю в органічній масі бурого вугілля більший, ніж у торфах, а кисню - відповідно, менший. Буре вугілля завжди більш щільне, ніж торф, і відрізняється помітно меншою вологістю.

Все це дозволяє зрозуміти особливості процесів діагенезу, які повинні бути роз­глянуті в прямому зв'язку з умовами, що мали місце в торфовищах.

Після того, як набряклу у воді торф'яну масу покриють мінеральні породи, по­ховане торфовище починає поступово зневоднюватися й ущільнюватися під тиском покрівлі. Поряд із цим, у торф'яній масі протікають хімічні процеси дегідратації й декарбоксилування за рахунок відщеплення карбоксильних груп з гумінових кислот з утворенням води й вуглекислоти. Це свідчить про те, що при діагенезі переважали хі­мічні реакції відновного характеру, на відміну від умов при торфоутворенні, коли мали місце головним чином окисні процеси. Одночасно з дегідратацією й декарбоксилуванням, при діагенезі мали місце також процеси дегідрогенізації з утворенням, зокре­ма, метану й сірководню. Виняткове значення мали також інші фактори, що впливали на процеси торфоутворення й діагенезу. У той час як при процесах торфоутворення головна роль належала дії мікроорганізмів, при діагенезі бактеріальна діяльність по­ступово припинялася внаслідок настання асептичних умов, і головного значення набу­вали такі фізико-хімічні фактори, як тиск, підвищення температури в результаті дії термофільних бактерій, каталітична дія мінеральних домішок і хімічні особливості на­вколишнього середовища (сольовий склад вод, наявність газів й ін.). Подальший пере­біг процесів вуглеутворення - метаморфізм - зумовлював поступове перетворення бу­рого вугілля на кам'яне, а кам'яного вугілля - на антрацити, причому проміжними продуктами цих перетворень є різноманітні види бурого і кам'яного вугілля (тобто ме­таморфічні й генетичні ряди).

Говорячи про суть процесів метаморфізму, не можна не відзначити труднощі їх вивчення - головним чином через неможливість спостереження за ними в природних умовах і моделювання цих процесів у лабораторіях. Тому доводиться обмежуватися порівнянням наявних властивостей бурого і кам'яного вугілля при метаморфічних пе­ретвореннях.

Насамперед, необхідно відзначити, що в кам'яному вугіллі уже не виявляються характерні для бурого вугілля речовини, наділені кислотними функціями (гумінові кислоти), і воно стає хімічно нейтральним в результаті перетворення гумінових кислот на нейтральні гумінові речовини. Крім цього, бітумні компоненти кам'яного вугілля також втрачають подібність (кількісну і якісну) з бітумами бурого вугілля. Спостеріга­ються також інші розходження властивостей бурого і кам'яного вугілля, що свідчать про закономірну спрямованість метаморфічних перетворень зі зрілістю, що збільшу­ється: зменшується вологість і підвищується щільність та густина вугілля, бурі кольори переходять у чорний, збільшується також вміст вуглецю й знижується вміст водню й кисню.

Все це дозволяє припускати, що перетворення при метаморфізмі відбуваються в тому ж напрямку, що й при діагенезі, тобто продовжують розвиватися в основному відновні процеси - реакції дегідратації й декарбоксилування.

Щодо причин різного протікання процесів при метаморфізмі й ролі тих або ін­ших факторів, то з цих питань висловлювалися різні припущення. У першу чергу, вар­то розглянути вплив геологічних факторів на протікання процесів метаморфізму. До таких факторів зазвичай відносять тривалість процесів за часом, температуру, а також тиск гірських порід.

Що стосується тривалості процесів, тобто геологічного віку вугілля, то вже від­значалося, що цей фактор має лише другорядне значення. Тому при розгляді головних причин метаморфізму вугілля геологічний вік порівняно мало береться до уваги, бі­льшого значення надають впливу підвищеного тиску й температури, які найчастіше тісно пов'язані між собою й супроводжують одне одного, у зв'язку з чим виділити роль кожного зокрема виявляється не завжди можливим. Ю.А. Жемчужников розглядає не безпосередньо самі ці фактори (тиск, температуру), а пов'язані з ними окремі види ме­таморфізму: а) контактовий, або термічний; б) тектонічний, або динамометаморфізм; в) регіональний, або глибинний, метаморфізм.

Підвищення ступеня метаморфізму вугілля могло відбуватися при контакті з виверженими вулканічними масами, що несуть звичайно величезні кількості тепла: так, наприклад, температура лави при виливі досягає 1300°С.

Підводячи загальні підсумки розглянутих вище положень про метаморфізм ву­гілля зауважимо, що не можна надавати вирішального значення дії тільки одного з фа­кторів вуглеутворення, ігноруючи інші. На напрямок і кінцевий результат процесів торфо- і вуглеутворення впливала сукупність багатьох разом узятих факторів. Залежно від варіювання дії тих або інших факторів й умов, утворилося різне вугілля, що відріз­няється за складом і властивостями. Необхідно лише виділити із цих факторів й умов найбільш істотні для утворення кожного класу твердих горючих копалин.

Що стосується гумітів, то цілком обґрунтованими є припущення про стадій­ність їх утворення. Перша стадія - торфоутворення, при якому головна роль належить біохімічним факторам. До другої стадії можна віднести діагенез, при якому ще продо­вжують діяти біохімічні фактори, але, поряд з ними, стає усе більш помітним вплив факторів геологічного характеру (відносно невисокі температури й тиск). Нарешті, третьою стадією є метаморфізм, при якому хімічні перетворення вугілля зумовлені впливом переважно фізико-хімічних або геологічних факторів, що діють на глибині, тобто високих тисків і підвищених температур.

Тема 5.8.3 Систематизація і класифікація твердих горючих копалин

Класифікація твердих горючих копалин (ТГК), як систематика всіх їх видів, що зустрічаються, за найважливішими характерними ознаками і властивостями, є однією з найскладніших проблем науки про ТГК.

Існуючі класифікації ТГК можна поділити на три основні типи:

1) загальні класифікації включають основні параметри, що відображають внутрішню спільність кожного класу і класів серед всіх ТГК, охоплюва­них класифікацією. Такі класифікації мають головним чином пізнавальне теоретичне значення;

2) технологічні (промислові) класифікації розподіляють ТГК за показниками влас­тивостей. Технологічні класифікації виражають головним чином такі співвідношення вла­стивостей ТГК, знання яких необхідне для використання їх в тій або іншій конкретній га­лузі промисловості, і тому вони називаються також окремими або частковими;

3) комбіновані класифікації ґрунтуються на показниках, що використовуються і в загальних, і в технологічних класифікаціях. Ці класифікації (їх більшість) мають як теоретичне, так і практичне значення. Вони до­зволяють розширити число ТГК, включених у класифікацію, а також сприяють роз­криттю взаємозв'язку складу, будови і практично важливих властивостей ТГК.

Різноманіття в природі видів ТГК зумовило необхідність систематизації їх за найбільш загальними, характерними ознаками. У зв'язку з цим велику увагу надавали розробці так званих загальних наукових класифікацій ТГК (табл. 1.1).

Відповідно до загальної систематики ТГК, перше ознайомлення проводиться спочатку за найпростішими і найбільш характерними особливостями.

Таблиця 2.2 - Загальна наукова класифікація ТГК

Стадії хімічної зрі­лості Класи ТГК	Торф'яна	Буровугільна	Кам'яновугільна	Антрацитна
І. Гуміти (переважно з ви­щих рослин)	Торфи: а) верхових боліт б) низинних боліт в)захоронені	Буре вугілля: а) землисте б) щільне (блискуче, матове смугасте) в) лігніти	Кам' яне вугілля: а) зовні однорідне (блискуче, сажа) б) зовні неоднорідне (смугасте, матове напівблискуче)	Антрацити
II. Ліптобіоліти (із стійких формівних елементів вищих рослин)	а) фіхтеліт - з воску б) копали – із смол в) фіменіт - пилку	а) піропісит - з воску б) янтар - зі смол в) спорове вугілля (підмосковне) г) кутикулове вугілля (підмосковне "паперове" вугілля) д) барзаське вугілля	а) рабдопісит - із смол б) ткібульське смоляне вугілля в) концентрації смол г) спорове (кізеловське) д) кутикуліт (Іркутське) е) "листувате" вугілля (барзаське) ж) "кеннелі" з) лопініт - з кори
III. Сапропеліти (з нижчих рослин, водоростей (альг), залишків живих організмів - план­ктону) 1. Власне сапропеліти (стійкі елеме- нти рослин міс- тяться) 2. Сапроколіти (стійкі елементи рослин відсутні)	а)сапропелі (прісноводні) б) куронгіт в) балхашит г)сапроколи	а) богхеди б) торбаніт в) марагуніт г)сапропеліти серед бурого вугілля (кеннелі-богхеди, напівбогхеди) Сапроколіти серед бурого вугілля	а) вугілля з Люгау (богхед) б) саропеліти серед кам'яного вугілля (кеннелі- богхеди) Сапроколіти серед Іркутського кам'яного вугілля (хахарейські, матаганські)	Сапропеліти серед донець­ких антрацитів
IV. Група особли­вих видів ТГК		а) змішані сапропе літо-гуміти і гумі- то-сапропеліти серед підмосковно- го бурого вугілля б) змішане гуміто- ліптобіолітове ву- гілля серед бурого вугілля Дніпровсь- кого басейну в) кенелі	а) змішані гуміто- сапропеліти серед Іркутського кам'яного вугілля б) змішані гуміто— ліптобіоліти серед кам'яного вугілля Західного Донбасу і Кізеловського басейну в) кеннелі	Антрацити змішаного по­ходження і складу серед донецьких гумусних ан­трацитів

Буре вугілля - це вугілля, що отримало свою назву від звичайного бурого ко­льору (хоча є буре вугілля і чорного кольору). Воно характеризується частіше за все зовні повною відсутністю залишків рослин, що не розклалися, і не має того аморфного вигляду, який властивий свіжовидобутому торфу. Відома велика кількість типів бурого вугілля з різними специфічними зовнішніми ознаками.

Землисте буре вугілля. В природному стані землисте буре вугілля сильно обво­днене (вологість 35-65%) і при зберіганні в природних умовах поволі втрачає вологу до її вмісту 15-25%. Свіжовидобуте землисте буре вугілля є зовні однорідною зернистою грудкуватою бурою масою. Грудки підсушеного вугілля легко роздавлюються і розти­раються рукою на дрібні крихти.

Щільне буре вугілля зустрічається у вигляді блискучих, матових і смужкуватих різновидів. Блискуче щільне буре вугілля містить, в порівнянні із землистим, менше вологи (7-12%) і зовні має велику схожість з кам'яним вугіллям, унаслідок чорного ко­льору, характерного блиску і значної механічної міцності і твердості.

Кам'яне вугілля відрізняється від торфу і бурого вугілля більшою твердістю, завжди чорним кольором, меншою вологістю і більш високою дійсною густиною. Звичайно для кам'яного вугілля характерний більший або мен­ший ступінь блиску. Відповідно до цього розрізняють блискуче, напівблискуче, матове і сажу.

Найчастіше в природі зустрічається напівблискуче і зовні неоднорідне, щільне, чорного або чорно-сірого ко­льору матове вугілля. Рідше зустріча­ються однорідне блискуче кам'яне вугілля і сажа.

Антрацити належать до найбільш зрілих гумітів. В порівнянні з кам'яним ву­гіллям, антрацити є найблискучішими і найбільш твердими утвореннями. Колір антрацитів сірувато-чорний, блиск металічний, з жовтим відтінком. Антрацити розрізняються за характером будови: масивні, грубо-, середньо- і дрібнозернисті. Типові антрацити виявляють деякі властивості, не характе­рні для кам'яного вугілля, наприклад, підвищену електропровідність. Антрацити - це не остання стадія перетворення гумітів. Вважається, що у відповідних умовах антрацит може через проміжні стадії перетворитися на графіт.

Горючі і вуглисті сланці. Під сланцями взагалі (як горючими, так і вуглистими) розуміють такі викопні матеріали, в яких разом з органічними речовинами міститься велика кількість мінеральних речовин (умовно понад 40%). Термін «горючі сланці» прийнято поширювати на сланці з органічною масою лише сапро­пелевої природи. Високозольні ТГК з органічною масою гумусної природи називають звичайно «вуглистими сланцями». Слід враховувати, що за характером органічної маси в природі зустрічаються сланці як гумусного і сапропелевого, так і ліптобіолітового, а також змішаного походження.

Дата добавления: 2014-10-23