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‘Gas Capture Maximisation’ approach for avoiding methane emissions in ventilation air EARTH SCIENCE AND RESOURCE ENGINEERING Rao Balusu 04 September 2012

‘Gas Capture Maximisation’ - Global Methane Initiative · 2013-01-24 · • Goaf drainage to control gas in longwall panels • Gas ... Petroleum industry rig capabilities

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‘Gas Capture Maximisation’

approach for avoiding  methane emissions in ventilation air

EARTH SCIENCE AND RESOURCE ENGINEERING

Rao Balusu

04 September 2012

Page 2: ‘Gas Capture Maximisation’ - Global Methane Initiative · 2013-01-24 · • Goaf drainage to control gas in longwall panels • Gas ... Petroleum industry rig capabilities

• Introduction  • Fugitive emissions from underground coal mining • Ventilation strategies for VAM mitigation• Current gas drainage scenario and challenges• Gas capture maximisation strategies• GHG friendly mine scenario• Conclusions 

Presentation Outline

Rao Balusu  |  Page  2

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• Australian coal industry – highly gassy mining conditions –

Coal seams gas contents ranges from < 1.0 m3/t to about 18 m3/t 

Specific gas emissions (SGE) up to 20 m3/t of coal production (to 35 m3/t)

Goaf gas emissions generally from 300 l/s to 3,000 l/s (even to 8,000 l/s)

• Complex mining conditions–

Thick and multiple coal seams (& strata gas)

Depths approaching 600m, low permeability , structures, ..etc

Mines in remote areas, surface/environmental constraints, ..etc

• Coal seams are also prone to spontaneous combustion–

Complicates goaf gas drainage issue (requires balancing/optimisation)

Introduction

Rao Balusu  |  Page  3

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Fugitive emissions from UG coal mining

• UG fugitive emissions

~16 to 17 Mt CO2

‐e (Total

~28 Mt) 

• Total VAM around 30 m3/s CH4 

(13 to 14 Mt CO2

‐e)

• Total drained gas ~ 20 m3/s CH4  –

Drained gas ~ around 40% of total (20 m3/s out of total 50 m3/s)

75% of pre‐drained gas used for Power generation and in Flares

Gas emission rates and relationships • CO2

‐e and methane (CH4

) flow rates  –

1 m3/s CH4

~ 0.45 Mt/y CO2

‐e    (10 Mt CO2

‐e ~ 22 m3/s)

• CH4

emissions and carbon charge  –

At A$23/t CO2

‐e,   1 m3/s (1,000 l/s) emissions ~ $10 M/year

Rao Balusu  |  Page  4

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Coal mine fugitive emissions intensity 

For example, gassy underground mine producing 5 Mt with intensity of 0.3 – total 

emissions around 1.5 Mt of CO2

‐e, which equates to $35 M/yr (at cost of @$23/t)

From this emissions intensity figure, we can see that 

CO2

‐e charge for a number of UG mines will be > $10 M/y (for some mines over $25 M/y)–

Other mines will also face significant carbon charges

Need to reduce fugitive emissions significantly from UG coal mines

Emissions Intensity Figure by Australian National Greenhouse Accounts

Rao Balusu  |  Page  5

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Ventilation Air Methane (VAM) – in Australia

Total VAM emissions ‐

over 30 m3/s (out of total 50 m3/s from UG mines)

As most of the drained gas is utilised/flared, VAM emissions represents  80‐85% of the total fugitive emissions from UG mines

Low CH4

% in VAM presents a challenge for utilisation or mitigation

VAM mitigation – Ventilation Options•

Example: LW mine 330 m3/s @ 0.55% CH4

= 0.8 Mt CO2

‐e

To minimise these emissions, options include: –

Mitigating the entire main ventilation VAM with > 0.3% CH4–

Ventilation modification and targeting only part of vent system at higher CH4

%

LW airflow is typically around 30% of mine ventilation, but may contain  up to 70% of the gas reporting to main ventilation VAM

Rao Balusu  |  Page  6

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VAM mitigation –

Ventilation options (1)

Targeting LW return/bleeder for VAM mitigation optimisation

R

R

R R

30

331 m3/s0.53% CH4

655020

70

R

R

R R

VAM ox70m3/s

30

6550

35

20

70261 m3/s

0.26% CH4

Main Main VAM Capex CO2-eShaft Ex Shaft Shaft(s) Charge

Scenario m3/s CH4 % m3/s $M $M /yearNo VAM destruction 331 0.53 0 0 19.56Tailgate only 261 0.26 70 9.735 7.757Taigate and lead gate 196 0.22 135 18.882 4.103Taigate and both gates 146 0.11 185 26.265 1.855

0

5

10

15

20

25

30

No VAMdestruction

Tailgate only Taigate and leadgate

Taigate and bothgates

$ M

Capex $M CO2-e $M/y

Total VAM ~ 0.8 Mt CO2

‐e•

VAM charge $20M/Y•

Total VAM mitigation –not 

feasible

LW 70 m3/s at 1.5% CH4–

VAM mitigation $10M–

Remaining carbon charge $7M•

Other VAM mitigation options

Rao Balusu  |  Page  7

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VAM mitigation –

Ventilation options (2)

Bleeder ventilation of longwalls and goaf bleeders – VAM mitigation

R

R

R R

50

655020

60

R

Bleeder system – shaft or mains

Additional dilution options

50100m3/s dilution

capacity

Potential 2.5kPa pressure across

active and sealed goaves

LW bleeder gas up to 2% CH4

Gas from adjacent goafs

Alternative ventilation layouts

Peripheral/split vent systems

Changes in mine design/layouts

Safety issues to be considered

Rao Balusu  |  Page  8

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VAM mitigation – Key points

VAM is 60% of UG CMM emissions and represents 80‐85% fugitive emissions

VAM mitigation –

still an issue and difficult to mitigate all VAM emissions

Targeting only part of ventilation at higher CH4

%

Modifying mine ventilation to increase CH4

% in VAM for mitigation 

Increasing gas capture and using some gas for VAM mitigation

Increasing ‘mine gas capture’

to reduce total VAM emissions ‐

best strategy

Gas drainage strategies/options to reduce VAM/fugitive emissions

Rao Balusu  |  Page  9

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Current gas drainage scenario

• Total gas drained ~ 20 m3/s CH4

(and 3 m3/s CO2

)

Pre‐drainage gas ~ 12 m3/s and goaf drainage ~ 11 m3/s –

Drained gas ~ 40% of total 50 m3/s (VAM ~ 30 m3/s CH4)

• Total 14 mines using gas drainage (pre‐drainage and/or goaf drainage)

• Pre‐drainage for outburst prevention – only in working seam• Goaf drainage to control gas in longwall panels

• Gas drainage main objectives ‐

Gas control and Outburst  prevention – not necessarily ‘Gas Capture Maximisation’

at the 

moment  

Rao Balusu  |  Page  10

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Typical gas drainage in mines 

0.1

7.6

0.5

0.0

0.0

1.4

0.7

0.1 0.

5

0.0 0.

78.

11.

90.

22.

0 2.3

5.7

0.9

0.9

1.7

1.7

1.4

0.1

2.1

0.2

2.2

1.1

4.4

0.1

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.01 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Raw

Min

e D

isch

arge

CH

4 m

3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CH

4 C

aptu

re E

ffici

ency

%

Ventilation Pre Drainage Goaf Drainage CH4 capture %

LW mines methane emissions and capture efficiency

Rao Balusu  |  Page  11

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Future challenges – in gas control

0

3,000

6,000

9,000

12,000

15,000

18,000

21,000

0 3 6 9 12 15 18

LW Production (MTpa)

LW G

oaf g

as e

mis

sion

s (l/

s)

Vent gas capacityBest practice with goaf drainageSGE 5 m3/tSGE 10 m3/tSGE 20 m3/tSGE 35 m3/t

Expected increase in goaf gas emissions with coal production

Current CMM capture (both pre‐drainage & goaf drainage) from all coal mines  (around 12 to 14 mines) ~ 20 m3/s = 20,000 l/s only

In future, we get that much gas flow from just a few mines & more challenges

Mines getting deeper – high gas & less perm  

Goaf gas drainage – surface restrictions 

Multiple seams mining – goaf drainage issue 

Thick seam extractions –more gas emissions

Sponcom issues vs goaf gas drainage rates 

Remote mines (and less local demand)  –

issue for gas capture maximisation

Safety issues – to capture CH4

at < 30%

Rao Balusu  |  Page  12

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Gas drainage practices and approach

Gas capture efficiency ~ 40% to 50% (highest 75%)

Need to improve gas drainage efficiencies significantly

Need to introduce additional gas drainage in mines ‐

even if  not necessary for statutory compliance purposes

For example, $10M/y to capture additional 1,000 l/s may be cost effective 

Current perceptions of ‘more gas drainage results in more  goaf gas emissions’

need to change 

Need to change from current “Gas Control”

approach to  “Gas Capture Maximisation”

approach

Rao Balusu  |  Page  13

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Gas Capture – UG goaf drainage in China & UK

6m3/sTotal gas drained = 110 l/s CH4Total in ventilation = 102 l/s CH4

Efficiency = 50%

DD0.05%

0.05 %

Roof tunnel

Layflat duct

39m3/s 0.32%5 m3/s

Drill chamber in roof

28m3/s

Gas drainage focus on near face active zone (in front and close behind)

Note: Capture efficiency of 50% achieved even at low flow rates

Purity is an issue – some times < 30% CH4

Rao Balusu  |  Page  14

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Gas Capture –

Unconventional hole patterns

Gas drainage roadway in floor rock

Gas drainage boreholes

Return roadway

Intake roadway

Longwall block and working seam

Rao Balusu  |  Page  15

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Gas Capture – Alternative post‐drainage  strategies Surface

MRD pre drainage holeused for goaf drainage

Remote roof seam

Close roof seam

Immediate roof seam

Close floor seam

High O2

A B C D

EF

G

H

Hole dislocation Cave zone

Main zone of gas emission

30 to 50m

Up to 2.5km

0 to 300m

Aquifer

USA extension to floor seams

Higher holes - mainly pre drainage effect but maintainintegrity into goaf

Closer holes prone toO2 ingress and cut off

Tertiary sediments

Superjacent drill galleries

I

Rao Balusu  |  Page  16

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Gas Capture – Other techniques

Underground patterns +–

MRD –

standard and reamed

Petroleum industry rig capabilities

Hydrofracture –

multiple completion 

Nitrogen flushing

Pre‐drainage – 3 to 10 years ahead

Rao Balusu  |  Page  17

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Gas Capture Maximisation (Pre‐drainage)

SIS holes highly successful –

but, WS only & 1 – 2 years ahead

SIS holes to be used for drainage of upper seams–

SIS drainage to be implemented 3 – 10 years ahead

Gas drainage to be carried out, wherever feasible –

when capturing additional 100’s l/s gas costs < CO2

‐e charge. For  example, capturing additional 1,000 l/s with $10M/y is feasible 

Additional UG gas pre‐drainage (‐OR‐

reduced hole spacing)

Hydrofrac/stimulation to improve drainage rates & efficiency

Extensive CBM operations ahead of mining 

Rao Balusu  |  Page  18

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Gas Capture Maximisation (Post‐drainage)

Goaf gas drainage to be increased from 40% to 80%–

Deep goaf gas drainage strategies to be implemented, even if not

immediately 

effecting LW return gas levels

Gas drainage from overlying and underlying seams

Both surface and UG goaf gas drainage strategies•

Goaf gas drainage even in low to medium gassy mines

Trying to achieve 0.3‐0.4% CH4

in LW return (rather than <1%)•

Mine design/vent changes – to maximise gas capture

Gas capture maximisation practices not widely used •

Increased gas capture –

reduces VAM & fugitive emissions 

Rao Balusu  |  Page  19

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Gas Capture Maximisation – Potential Strategies (1) 

Very low gas emission mines (GRS < 30 m3/m2, WS gas < 3 m3/t)

Conventional pre‐drainage may not be feasible

Consider sealed area goaf drainage, if significant

Low gas emission mines (30 < GRS < 50 m3/m2, 3 < WS < 5 m3/t)

Viability of stimulated pre‐drainage to be considered

Consider goaf drainage of active and sealed areas 

Medium gas emission mines (50 < GRS < 80 m3/m2, WS < 7 m3/t)

Consider pre‐drainage of both working and other seams

Goaf drainage of active and sealed areas required

VAM mitigation with or without split ventilation

Rao Balusu  |  Page  20

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Gas Capture Maximisation – Potential Strategies (2) 

High gas emission mines (80 < GRS < 110 m3/m2, WS > outburst)

Pre‐drainage required – and consider increased intensity 

Pre‐drainage of non‐working seams too

Goaf and sealed area drainage required ‐

and increased efficiency

VAM mitigation required for part or all (with or without split vent)

Additional gas capture strategies to be considered

Very high gas emission mines (GRS > 110 m3/m2, WS > outburst)

All of above +

Gas reservoir stimulation techniques 

Pre‐drainage of any interburden/roof gas reservoir strata

Rao Balusu  |  Page  21

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GHG Friendly Mine – Ideal Scenario 

(1) 

Gas drainage – not just for ‘gas control’, but for ‘gas capture’

Mine/Vent design – allows max gas capture & minimises VAM

Increased pre‐drainage of all coal seams (even when not required)

Pre‐drainage  3 to 10 years ahead

Active/sealed/deep goaf drainage (even when not required)

Goaf gas capture – even at low flow rates with low CH4

Introducing alternative strategies to increase gas capture

All captured gas is used for power generation or flared

Rao Balusu  |  Page  22

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GHG Friendly Mine – Ideal Scenario 

(2) 

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 125 150 175 200

Gas Reservoir Size m3/m2

Dist

ribut

ion

of e

mis

sion

m3/

s Sealed areas

Alternative strategies

Goaf drainage

Pre drainage

VAM

Production UG

Production surface

Fraction available for utilisation - fraction to goaf drainage dependent on managament of hazards. Drainage of non w orking seams may be requried

Fraction emitted on surface

Fraction reporting to VAM

Very Low Low Medium High Very High

LW gas emissions in m3/s at 3.0Mtpy –

ideal gas capture scenario

0.1

7.6

0.5

0.0

0.0

1.4

0.7

0.1 0.

5

0.0 0.

78.

11.

90.

22.

0 2.3

5.7

0.9

0.9

1.7

1.7

1.4

0.1

2.1

0.2

2.2

1.1

4.4

0.1

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Raw

Min

e D

isch

arge

CH

4 m

3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CH

4 C

aptu

re E

ffici

ency

%

Ventilation Pre Drainage Goaf Drainage CH4 capture %

Avoiding methane emissions in ventilation air  

Typical gas drainage scenario

Rao Balusu  |  Page  23

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Gas Capture Maximisation – Research  Requirements  

Improved gas reservoir characterisation & Q3 determination

Gas content measurement of all seams after LW retreat  

Gas capture maximisation strategies

Mine design/layout optimisation for increased gas capture

Vent design changes for optimum VAM mitigation

Gas capture in low gassy mines

& safe systems for low CH4

% drainage

Gas reservoir stimulation techniques

Accurate measurement of air flows and fugitive emissions

Rao Balusu  |  Page  24

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Conclusions 

Fugitive emissions > 27 Mt CO2

‐e (impact on UG mines is large)

Current gas drainage practice – for outburst and gas control 

VAM 30 m3/s out of 50 m3/s from UG mines (~80‐85% fugitive emissions)

The concept of VAM mitigation alone should be the main focus, as 85% fugitive emissions are VAM –

requires a change in approach

Scope to reduce VAM significantly, through improved gas capture

Requires a fundamental shift in our approach (from “Gas Control”

to  “Gas Capture Maximisation”) ‐

to achieve “near zero emissions”

Rao Balusu  |  Page  25

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Thank youDr Rao Balusu

Mining Research Group Leader

t

+61 7 3327 4614e

[email protected]

www.csiro.au

EARTH SCIENCE AND RESOURCE ENGINEERING