Luận văn thạc sĩ: Giải pháp kỹ thuật phòng chống cháy nổ khí metan trong khai thác than dưới 35 khu lộ tại Công ty Than Thống Nhất TKV

• Tác giả: Lê Viết Cương
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
• Chuyên ngành: Khai thác mỏ
• Đề tài: Giải Pháp Phòng Chống Cháy Nổ Khí Metan Trong Khai Thác Than Sâu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Cẩm Phả

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT KỸ THUẬT MỎ KHU LỘ TRÍ - CÔNG TY THAN THỐNG NHẤT - TKV
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ CHỨA KHÍ, ĐỘ XUẤT KHÍ CÁC VỈA THAN KHU LỘ TRÍ - CÔNG TY THAN THỐNG NHẤT - TKV
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ KHÍ METAN KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU DƯỚI MỨC -35 KHU LỘ TRÍ - CÔNG TY THAN THỐNG NHẤT
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nguy cơ cháy nổ khí metan trong khai thác than

Khai thác than hầm lò là một trong những hoạt động có nguy cơ cao về cháy nổ, đặc biệt là do khí metan. Khí metan được sinh ra trong quá trình hình thành than và có khả năng gây cháy nổ nếu nồng độ trong không khí đạt đến mức nhất định. Theo các nghiên cứu, khí metan có thể tích tụ trong các vỉa than và gây ra các vụ cháy nổ nghiêm trọng, ảnh hưởng đến an toàn lao động. Đánh giá nguy cơ cháy nổ từ khí metan là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho công nhân và thiết bị trong quá trình khai thác. Các thông số như hàm lượng khí metan, độ thoát khí metan và độ chứa khí metan cần được theo dõi thường xuyên. Việc này không chỉ giúp phát hiện sớm các nguy cơ mà còn tạo điều kiện để có những biện pháp ứng phó kịp thời.

1.1. Đặc điểm khí metan trong khai thác than

Khí metan là một loại khí độc và có khả năng gây cháy nổ cao. Trong các mỏ than, khí metan thường xuất hiện trong các vỉa than, đặc biệt là ở độ sâu lớn. Theo nghiên cứu, hàm lượng khí metan trong không khí mỏ có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như độ sâu khai thác, điều kiện địa chất và phương pháp khai thác. Việc đánh giá chính xác độ chứa khí metan trong vỉa than là rất quan trọng để xác định mức độ nguy hiểm và đưa ra các giải pháp phòng chống cháy nổ hiệu quả. Các tiêu chuẩn an toàn lao động cũng yêu cầu phải có các biện pháp kiểm soát và giảm thiểu nồng độ khí metan trong không khí tại khu vực khai thác.

II. Các biện pháp phòng chống cháy nổ khí metan

Để đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác than, việc áp dụng các biện pháp phòng chống cháy nổ khí metan là rất cần thiết. Các biện pháp này bao gồm việc kiểm soát nồng độ khí metan trong không khí, cải thiện hệ thống thông gió, và áp dụng công nghệ khai thác hiện đại. Hệ thống thông gió là một trong những yếu tố quan trọng giúp giảm thiểu nồng độ khí metan trong không khí. Việc lắp đặt các quạt thông gió có công suất lớn và thiết kế hệ thống thông gió hợp lý sẽ giúp duy trì không khí trong lành, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ. Ngoài ra, việc sử dụng các công nghệ khai thác tiên tiến cũng góp phần giảm thiểu lượng khí metan phát sinh trong quá trình khai thác.

2.1. Cải thiện hệ thống thông gió

Hệ thống thông gió có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nồng độ khí metan. Việc cải thiện hệ thống thông gió bao gồm việc lắp đặt các quạt thông gió có công suất lớn, thiết kế các đường thông gió hợp lý để đảm bảo không khí được lưu thông liên tục. Ngoài ra, việc theo dõi và điều chỉnh hệ thống thông gió theo thực tế khai thác cũng là một yếu tố quan trọng giúp duy trì nồng độ khí metan ở mức an toàn. Các tiêu chuẩn an toàn lao động yêu cầu phải có hệ thống thông gió hiệu quả để đảm bảo an toàn cho công nhân trong suốt quá trình khai thác.

III. Đánh giá và quản lý rủi ro liên quan đến khí metan

Quản lý rủi ro liên quan đến khí metan là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong khai thác than hầm lò. Việc đánh giá mức độ nguy hiểm của khí metan cần được thực hiện thường xuyên thông qua việc đo đạc và phân tích các thông số liên quan. Các biện pháp quản lý rủi ro bao gồm việc lập kế hoạch khai thác, xác định các khu vực có nguy cơ cao và áp dụng các biện pháp phòng chống cháy nổ phù hợp. Ngoài ra, việc đào tạo công nhân về các nguy cơ liên quan đến khí metan và cách ứng phó kịp thời cũng là một phần quan trọng trong công tác quản lý rủi ro.

3.1. Lập kế hoạch khai thác an toàn

Lập kế hoạch khai thác an toàn là một bước quan trọng trong việc quản lý rủi ro liên quan đến khí metan. Kế hoạch này cần xác định rõ các khu vực có nguy cơ cao và đưa ra các biện pháp cụ thể để giảm thiểu rủi ro. Việc này bao gồm việc thiết lập các tiêu chuẩn an toàn lao động, quy trình kiểm tra định kỳ và các biện pháp ứng phó khẩn cấp khi có sự cố xảy ra. Đồng thời, việc sử dụng các công nghệ hiện đại trong khai thác cũng góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong quá trình khai thác than.

Tổng quan nghiên cứu

Ngành khai thác than hầm lò đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển kinh tế - xã hội của Việt Nam. Công ty than Thống Nhất - TKV quản lý các dự án khai thác hầm lò tại khu Lộ Trí với tổng trữ lượng than khoảng 58,96 triệu tấn tính đến đầu năm 2019. Theo kế hoạch, sản lượng khai thác than của công ty sẽ duy trì trên 2 triệu tấn/năm trong những năm tới, đòi hỏi phải mở rộng khai thác xuống sâu dưới mức -35 m. Tuy nhiên, khai thác sâu kéo theo nhiều thách thức về an toàn lao động, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí Mêtan – một loại khí đồng hành với than, có khả năng gây cháy nổ nghiêm trọng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá, xác định độ chứa khí Mêtan trong các vỉa than dưới mức -35 m khu Lộ Trí và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phòng chống cháy nổ khí Mêtan nhằm đảm bảo an toàn lao động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực khai thác hầm lò của Công ty than Thống Nhất - TKV tại khu Lộ Trí, tỉnh Quảng Ninh, trong giai đoạn từ năm 2013 đến 2018. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ công tác quản lý an toàn, lựa chọn công nghệ khai thác phù hợp và xây dựng các biện pháp phòng chống cháy nổ khí Mêtan hiệu quả, góp phần nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về khí Mêtan trong khai thác than hầm lò, bao gồm:

• Nguồn gốc và dạng tồn tại của khí Mêtan trong vỉa than: Khí Mêtan được sinh ra trong quá trình thành tạo than, tồn tại chủ yếu ở dạng hấp thụ trên bề mặt hạt than và dạng tự do trong các khe nứt. Hàm lượng khí Mêtan tăng theo độ biến chất của than và chiều sâu khai thác.

• Đặc điểm và tính chất khí Mêtan: Khí Mêtan không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, dễ gây cháy nổ khi hàm lượng trong không khí đạt từ 5% đến 15%. Nhiệt độ bắt cháy khoảng 539°C.

• Độ chứa khí Mêtan và các thông số đánh giá mức độ nguy hiểm: Độ chứa khí (m3 khí Mêtan/tấn than nguyên khối), độ thoát khí tuyệt đối (m3/phút), độ thoát khí tương đối (m3/tấn than/ngày) là các chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ nguy hiểm và lựa chọn biện pháp phòng chống.

• Phân loại mỏ theo cấp khí Mêtan: Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01:2011/BCT, mỏ được phân loại thành nhóm I, II, III dựa trên độ chứa khí Mêtan tự nhiên và hàm lượng khí trong lỗ khoan.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ Công ty than Thống Nhất - TKV và Trung tâm An toàn Mỏ - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, bao gồm mẫu than, mẫu khí lấy từ các lỗ khoan tại các gương lò khai thác trong khu Lộ Trí từ năm 2013 đến 2018.

• Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Áp dụng phương pháp trực tiếp của Ba Lan, lấy mẫu than trong lỗ khoan bằng bình kín có bi thép, nghiền mẫu trong máy lắc rung để tách khí. Khí tách ra được phân tích bằng máy sắc ký khí VARIAN GC-3800 với độ chính xác cao. Mẫu khí được lấy bằng túi khí polyester đặc biệt, đảm bảo không thất thoát khí trong quá trình vận chuyển.

• Phương pháp tính toán: Độ chứa khí Mêtan được tính dựa trên thể tích khí tách ra từ mẫu than, trừ đi lượng khí Mêtan có sẵn trong không khí mỏ tại thời điểm lấy mẫu. Độ thoát khí Mêtan được dự báo theo phương pháp mỏ thực nghiệm Barbara (Ba Lan), dựa trên các thông số về độ chứa khí, chiều dài lò chợ, tiến độ khai thác, chiều dày vỉa than và các yếu tố địa chất kỹ thuật.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2013-2018, với các đợt lấy mẫu và phân tích khí định kỳ hàng năm, kết hợp với phân tích số liệu địa chất thủy văn và điều kiện khai thác hiện tại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chứa khí Mêtan tăng theo chiều sâu: Kết quả phân tích mẫu khí năm 2018 cho thấy độ chứa khí Mêtan cao nhất đạt 1,4024 m3/tấn than nguyên khối tại mức -140 m của vỉa 6D. Dự báo độ chứa khí tại mức -200 m có thể lên tới 1,7114 m3/tấn, cho thấy xu hướng tăng rõ rệt theo độ sâu.

2. Hàm lượng khí Mêtan trong lỗ khoan cao: Hàm lượng khí Mêtan trong lỗ khoan tại các vị trí khai thác đạt tới 54,54% ở vỉa 6D mức +40 m, và có nhiều mẫu khí đạt trên 30%, vượt ngưỡng an toàn, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ cao.

3. Độ thoát khí Mêtan vào đường lò khai thác: Dự báo độ thoát khí Mêtan vào lò chợ vỉa 6D mức -70/-30 đạt khoảng 0,726 m3/phút, trong đó khí thoát ra từ than mới khấu chiếm phần lớn. Đây là mức độ thoát khí đáng kể, đòi hỏi hệ thống thông gió và biện pháp phòng chống phải được thiết kế phù hợp.

4. Phân loại mỏ theo cấp khí Mêtan: Khu vực khai thác từ lộ vỉa đến mức +11 m thuộc nhóm mỏ loại I (độ chứa khí thấp), trong khi phần khai thác từ +11 m đến -300 m thuộc nhóm mỏ loại II (độ chứa khí trung bình), phản ánh mức độ nguy hiểm tăng lên khi khai thác sâu.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng độ chứa khí Mêtan theo chiều sâu là do áp suất và điều kiện địa chất thuận lợi cho khí tích tụ trong các vỉa than sâu. Hàm lượng khí Mêtan cao trong lỗ khoan cho thấy nguy cơ cháy nổ tiềm ẩn, nhất là khi khai thác các vỉa than có độ chứa khí lớn. Kết quả dự báo độ thoát khí Mêtan phù hợp với các nghiên cứu trong ngành than Việt Nam và quốc tế, đồng thời khẳng định tính hiệu quả của phương pháp dự báo mỏ thực nghiệm Barbara.

Việc phân loại mỏ theo cấp khí Mêtan giúp công ty xác định mức độ nguy hiểm và lựa chọn công nghệ khai thác, hệ thống thông gió phù hợp. Các biểu đồ thể hiện sự biến thiên độ chứa khí và hàm lượng khí trong lỗ khoan cung cấp cơ sở trực quan cho việc đánh giá và quản lý rủi ro.

Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy tầm quan trọng của việc lấy mẫu khí định kỳ và phân tích chính xác để cập nhật thông tin về độ chứa và thoát khí, từ đó điều chỉnh các biện pháp an toàn kịp thời, giảm thiểu nguy cơ tai nạn cháy nổ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường hệ thống thông gió và giám sát khí Mêtan: Lắp đặt các trạm quạt công suất lớn, đồng thời sử dụng hệ thống cảm biến khí Mêtan tự động để giám sát liên tục, đảm bảo hàm lượng khí luôn dưới ngưỡng an toàn. Thời gian thực hiện: trong vòng 1 năm; Chủ thể: Công ty than Thống Nhất - TKV phối hợp với Trung tâm An toàn Mỏ.

2. Áp dụng công nghệ khai thác phù hợp với mức độ chứa khí: Sử dụng hệ thống khai thác cột dài với phương pháp phá hoả toàn phần và giá khung di động thủy lực cho các vỉa có độ chứa khí cao nhằm giảm thiểu phát sinh khí Mêtan trong quá trình khai thác. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Ban kỹ thuật và sản xuất Công ty than Thống Nhất.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức an toàn cho công nhân: Tổ chức các khóa huấn luyện về phòng chống cháy nổ khí Mêtan, kỹ năng xử lý sự cố và sử dụng thiết bị an toàn. Thời gian: liên tục hàng năm; Chủ thể: Phòng An toàn lao động Công ty than Thống Nhất.

4. Nghiên cứu và ứng dụng các biện pháp khử khí Mêtan trước khai thác: Triển khai các dự án hút khí Mêtan từ vỉa than trước khi khai thác để giảm độ chứa khí, đồng thời tận dụng khí Mêtan làm nguồn năng lượng. Thời gian: 3 năm; Chủ thể: Ban nghiên cứu phát triển và đối tác công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và kỹ sư khai thác mỏ: Giúp hiểu rõ đặc điểm khí Mêtan trong khai thác than hầm lò, từ đó xây dựng kế hoạch khai thác an toàn và hiệu quả.

2. Chuyên gia an toàn lao động trong ngành than: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế hệ thống phòng chống cháy nổ khí Mêtan, nâng cao tiêu chuẩn an toàn.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khai thác mỏ, địa chất: Là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp xác định độ chứa khí và dự báo độ thoát khí Mêtan trong mỏ than.

4. Các đơn vị tư vấn thiết kế và công nghệ khai thác than: Hỗ trợ lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện địa chất và mức độ chứa khí của từng khu vực khai thác.

Câu hỏi thường gặp

1. Khí Mêtan có nguồn gốc từ đâu trong mỏ than?
   Khí Mêtan sinh ra trong quá trình phân hủy và biến chất thực vật tạo thành than, tồn tại chủ yếu dưới dạng hấp thụ trên bề mặt hạt than và dạng tự do trong các khe nứt của vỉa than.

2. Tại sao phải xác định độ chứa khí Mêtan trong khai thác than hầm lò?
   Độ chứa khí Mêtan giúp đánh giá mức độ nguy hiểm cháy nổ, từ đó lựa chọn phương pháp khai thác, hệ thống thông gió và biện pháp phòng chống phù hợp, đảm bảo an toàn lao động.

3. Phương pháp lấy mẫu khí Mêtan trong luận văn là gì?
   Luận văn áp dụng phương pháp trực tiếp của Ba Lan, lấy mẫu than trong lỗ khoan bằng bình kín có bi thép, nghiền mẫu trong máy lắc rung để tách khí, sau đó phân tích bằng máy sắc ký khí.

4. Độ chứa khí Mêtan tăng hay giảm theo chiều sâu khai thác?
   Độ chứa khí Mêtan thường tăng theo chiều sâu do áp suất và điều kiện địa chất thuận lợi cho khí tích tụ trong các vỉa than sâu.

5. Giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để phòng chống cháy nổ khí Mêtan?
   Các giải pháp gồm tăng cường hệ thống thông gió, áp dụng công nghệ khai thác phù hợp, đào tạo an toàn cho công nhân và nghiên cứu khử khí Mêtan trước khai thác.

Kết luận

• Đã xác định được độ chứa khí Mêtan cao nhất 1,4024 m3/tấn than nguyên khối tại mức -140 m vỉa 6D, với xu hướng tăng theo chiều sâu.
• Hàm lượng khí Mêtan trong lỗ khoan có thể vượt 50%, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng.
• Dự báo độ thoát khí Mêtan vào lò chợ đạt 0,726 m3/phút, đòi hỏi hệ thống thông gió và biện pháp phòng chống hiệu quả.
• Phân loại mỏ theo cấp khí Mêtan giúp lựa chọn công nghệ khai thác và biện pháp an toàn phù hợp.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm giảm thiểu nguy cơ cháy nổ, đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả khai thác.

Next steps: Triển khai áp dụng các giải pháp kỹ thuật đề xuất, tiếp tục theo dõi và cập nhật số liệu khí Mêtan định kỳ, mở rộng nghiên cứu sang các khu vực khai thác khác.

Call-to-action: Các đơn vị khai thác than và chuyên gia an toàn cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu, nâng cao an toàn lao động và hiệu quả sản xuất trong ngành than hầm lò.