Осада угольного пласта

Метан - неизменный спутник угольных пластов. Они рождаются вместе во время процессов углефикации, и газ навсегда консервируется в толще угля. Стоит отколоть от массива кусок черного камня, как тут же в рудничный воздух выделится метан. Можно проделать это на любой шахте мира, и всюду зловещий провожатый угля даст знать о себе.

Чем больше метана в угольном пласте, тем больше неприятностей у шахтеров. При добыче газ начинает выделяться в забой и смешиваться с воздухом горной выработки. Если в этой смеси окажется от 5 до 16% метана то она становится взрывчатой. Достаточно искорки, чтобы случилась катастрофа. И бывало раньше, попадет шахтер обушком по включению колчедана, тут же гремит взрыв, приводящий к самым тяжелым подземным авариям. Кроме того, обилие метана в пласте и вмещающих породах приводит к внезапным выбросам: газ буквально проламывает себе дорогу через прочные стенки горных выработок.

Когда уголь добывали только обушком, метана выделялось значительно меньше, чем сейчас. Много ли отколешь вручную... Затем появились отбойные молотки - количество газа в горных выработках выросло. Пришел черед угольных комбайнов; их в начале шестидесятых годов заменили комплексы, способные за сутки выдать на-гора 5000 тонн! Больше угля - больше метана. И если одна тонна содержит до 160 кубометров газа (бывает так), то сколько его всего выделится в лаву? Здесь просто невозможно находиться человеку.

Обстоятельства складывались для шахтеров и хорошо и плохо. С одной стороны, в лаву пришла самая современная техника, исключающая ручной труд, комплексы отделяют уголь от массива, грузят и транспортируют его, защищают людей от обрушения горных пород. И в то же время мощные машины грозят шахтерам удушьем, грозят взрывом, если не принять мер.

В 1941 году при добыче 149 миллионов тонн угля выделилось 120 миллионов кубометров метана, а в 1965 году - уже больше трех миллиардов кубометров! В 1968 году - три миллиарда 200 миллионов кубометров!

Как справиться с этим опасным океаном газа, как довести его концентрацию до установленной нормы - не более одного процента в подземной атмосфере?

Можно, конечно, проветривать горные выработки, как это делали раньше и как повсеместно делают сейчас. Однако тут есть ограничение: скорость воздушного потока не должна превышать четырех метров в секунду. Нельзя же устраивать под землей "ураганы" - сильный сквозняк подымет пыль, заставит шахтеров мерзнуть, приведет к болезням. Можно избежать этого, увеличив сечение горных выработок. Но тогда намного возрастет стоимость угля, он станет чересчур дорогим.

И получается: тонну угля комплекс добывает за ми-руту, а чтобы очистить после этого рудничную атмосферу, требуются десятки минут. Поэтому комплексы иногда работают не в полную силу.

Сейчас внедряется новая подземная техника - добычные агрегаты. Их суточная производительность - 7000-10000 тонн. Чтобы выдуть из шахты метан, появившийся вследствие их работы, придется гнать воздух со скоростью восемь метров в секунду. Мы иногда слышим по радио прогноз погоды: "Ветер сильный..." Так вот необходимо устроить в шахте, где начнут работать агрегаты, сильный ветер. Поскольку это невозможно, то будущая техника на полную мощность сможет работать только в негазовых шахтах или участках.

С глубиной обилие метана в угле растет. Советские шахтеры каждый год углубляются в недра в среднем на 5-10 метров. Значит, у них впереди пласты, еще более насыщенные метаном. Между тем уже сейчас есть шахты, в которые закачивается воздуха больше (по весу!), чем добывается угля. На таких шахтах стоят целые воздушные заводы.

Пыль - второй неприятный попутчик угледобычи. Она содержится в толще самого пласта (материнская пыль) и еще образуется, когда инструмент начинает разрушать черный массив. Санитарная норма здесь не более десяти миллиграммов пылинок в кубометре воздуха. Но бывает, что насыщение достигает в 100 раз большей величины. Воздух в забое становится черным.

Метан и пыль - вот что сегодня сдерживает добычу угля. Против них ученые Московского горного института, возглавляемого членом-корреспондентом АН СССР В. В. Ржевским, решили выставить тройную преграду. Они разработали основы "гидродинамического, микробиологического и физико-химического воздействия на пласт"...

Метан насыщает угольный массив до отказа. Он содержится в его трещинах, пустотах и порах. Здесь его немного - всего десятая часть. Остальное - так называемый адсорбированный метан, который располагается в микропорах. Он пробирается в казалось бы непроходимые молекулярные закоулки. Такова природа угля, он отличный адсорбент.

От свободного метана, заполняющего трещины и поры, избавиться проще. Прежде чем угольный пласт начнут разрабатывать, в нем с поверхности бурят несколько скважин. К ним ставят воздушные насосы, которые потихоньку откачивают метан из массива. Это способ "вакуумной дегазации" - уголь и вмещающие породы оказываются в зоне небольшого разрежения.

В таком состоянии им приходится находиться месяцы, а то и годы. За это время месторождение под вакуумом освобождается от свободного метана. А вот адсорбированный газ не поддается воздействию вакуума. Он находится в микропорах, поперечник которых не превышает сотых долей микрона. Здесь велики молекулярные силы, с ними не в состоянии справиться насосы, стоящие на поверхности земли. Основную часть метана в микронорах откачать не удается. Именно поэтому возможности вакуумного способа невелики: с его помощью можно избавиться не больше чем от 24% метана.

Закачивают в пласт воду - столько, сколько он может впитать в себя. Вода проникает по трещинам и большим порам, оттесняя свободный газ в сторону. Эффект опять-таки невелик, потому что метан, "окопавшийся" в микропорах, вывести оттуда не удается. Вода в этих тончайших капиллярах теряет свои обычные свойства, это уже не привычная для нас жидкость. Она закупоривает молекулярные ходы и снижает проницаемость пласта. Так происходит водная обработка угля в режиме фильтрации.

Другое дело, если воду в пласт подать под давлением, постараться закачать ее туда как можно больше. Тогда часть трещин и пор расширяется, или, как говорят горняки, раскрывается. Из-за этого проницаемость пласта может увеличиться в 100 раз! А воду все подают... В угольной толще образуется круговорот воды. Из трещин и крупных пор она оттесняет метан в сторону, а мелкие поры раздвигает. Происходит гидрорасчленение пласта. Теперь, если откачать воду, из пор следом пойдет и метан, тот, что притаился в молекулярных ходах.

Откачка происходит в течение нескольких суток, а вот газ покидает пласт довольно долго - как и в случае вакуумной дегазации. Однако при гидрорасчленении удается выкачать в несколько раз больше и, кроме того, попутно справиться с пылью. Материнская пыль в толще пласта слипается благодаря воде, образует крупные частицы. В рудничной атмосфере она быстро осаждается.

Можно ли ограничиться одним способом воздействия на пласт - гидрорасчленением, которое хорошо показало себя на промышленных испытаниях в шахтах?

Среди угольных пластов редко встречаются похожие, каждый из них своеобразен. Отличаются угольные слон одного и того же месторождения, и даже части пласта. Поэтому нельзя быть уверенным, что вода справится с метаном повсеместно, кое-где ей придется и отступить.

...Микробы, потребляющие метан, широко распространены в природе. Они встречаются, как правило, там, где газ по трещинам и разломам поднимается к земной поверхности. Микробы - своеобразный заслон на его пути. Они разрушают молекулу метана CH4, забирают "вкусный" углерод для построения клеток.

Были обследованы многие угольные месторождения, изучены различные поселения микроорганизмов. С помощью микробиологов удалось найти наиболее подходящую для горных целей культуру. Оказалось, в частности, что вместе с едоками метана живут микробы, выделяющие его и водород. Иными словами, микроскопические поселения служили в то же время и фабриками газа, например в Подмосковном угольном бассейне. Это попутное открытие ученых, его подробное изучение еще впереди.

Определив будущих помощников, предстояло подумать об их расселении на новых местах. Для развития микробам необходима подходящая питательная среда. Ее нашли. Но они приступают к еде только в присутствии молекулярного кислорода. Одним словом, пришлось позаботиться о создании хороших условий для микроскопических едоков: о нужной температуре, влажности, давлении и т. д.

Микробов предварительно культивируют в специальной суспензии, затем ее раствор через скважины закачивают в пласт. При этом жидкость теснит свободный метан. Так происходит доставка микроорганизмов на рабочие места. Затем по тем же скважинам для них гонят воздух, а с ним кислород, без которого невозможно усвоение углерода. Начинается потребление метана. Причем микроорганизмы добираются и до того, что скрыто в микропорах, они в состоянии уменьшить газоносность пласта на 80%. А суспензия способствует слипанию пыли, как и вода. В результате и пыли становится вполовину меньше.

Была разработана установка для непрерывного культивирования микроорганизмов. За сутки она давала 20 литров суспензии. Этот объем увеличивали в 1000 раз, разводя водой, и получали нужную концентрацию. Две установки вполне обеспечивали шахту с суточной добычей угля 3000 тонн.

Не обязательно изгонять метан из пласта, можно запереть его там, где он находится, и не пустить в рудничную атмосферу. Шахтеры отбили уголь от массива, а газ из него не выходит, он остается в микропорах.

Запереть метан в его убежище решили с помощью синтетических соединений. Их раствор надо было закачать в пласт заполнить его насколько возможно, а затем заставить раствор затвердеть. Так выглядела генеральная идея.

Подходящими соединениями оказались мономеры - мочевина и формальдегид. В химическое взаимодействие они вступали еще на заводе, а затем этот процесс - превращение в полимер - на время консервировался. Продолжаться он мог только через определенный срок.

Подготовленный таким образом раствор с химического комбината привозили на шахту. Здесь в него добавляли хлористый аммоний. Это была как бы команда на продолжение реакции. Затем раствор закачивали в угольный пласт. Жидкость первым делом отгоняла свободный метан занимая его место в трещинах и больших порах. В микропоры она проникнуть не могла и поэтому останавливалась в их устье. Хлористый аммоний в определенный срок приводил в исполнение приказ - происходила полимеризация, раствор твердел. Он закупоривал весь внутренний объем пласта, и самое главное - микропоры. Адсорбированный в них метан оказывался забаррикадированным. Проницаемость твердого полимера так же низка как и у оконного стекла.

При твердении молекулярные цепи полимеров соединяются между собой, происходит их "сшивка". Эти цепи окружают молекулы воды, в которой они были растворены и мельчайшие частицы угля. Иными словами, они образуют молекулярные мешки, заключая в них пыль с водой. Именно поэтому полимерный раствор, твердея, не уменьшается в объеме.

А для горняков это выгодно. Во-первых, микропоры перекрыты. Разрушая уголь, шахтеры не разрушают эти микроскопические ловушки. Даже в лабораторных условиях треть метана так и не удалось извлечь из них. Внутри добытого угля газ поднимается на-гора. Его выделение в забой резко сокращается. Далее, крепость угольной массы с застывшим внутри полимером падает.

Значительно облегчается добыча. И, наконец, снижается запыленность на 80%.

Работа московских ученых позволит шахтерам в полную силу использовать современную подземную технику. Подготовить к добыче можно практически любой угольный пласт, как бы много метана он не содержал. Сначала на него воздействуют водой, затем ее откачивают, а взамен пускают суспензию с микроорганизмами. Через определенный срок пласт освобождают от них и обрабатывают полимером. Все эти процессы можно проводить заранее и в любой последовательности, они не мешают друг другу. Предположим, что пласт обладает склонностью к образованию пыли, тогда ни к чему микробиологические меры, достаточно, скажем, гидрорасчленения. Или обнаружена повышенная способность к самовозгоранию угля - применяется обработка полимером. Все зависит от конкретных условий.