Tổng quan nghiên cứu

Ngành than Việt Nam đang đối mặt với nhu cầu tiêu thụ than ngày càng tăng, dự kiến đạt khoảng 77 đến 80 triệu tấn vào năm 2020, trong khi sản lượng khai thác dự kiến chỉ đạt 56 đến 62 triệu tấn. Đặc biệt, khai thác than lộ thiên ngày càng gặp khó khăn về diện sản xuất, dẫn đến sự cần thiết phải tăng tỷ lệ khai thác than hầm lò, trong đó có các vỉa than có tính tự cháy cao như vỉa 10 cánh Bắc tại Công ty than Mạo Khê - TKV. Từ năm 2017 đến 2018, tại diện khai thác vỉa 10 TBII tầng -80/-25 đã xảy ra hai vụ cháy nội sinh, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn lao động và sản xuất. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiện trạng công tác phòng chống cháy nội sinh tại các mỏ trong Tập đoàn TKV, đề xuất các giải pháp phòng chống cháy phù hợp nhằm đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả khai thác than tại diện sản xuất vỉa 10 TBII tầng -150/-80. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Công ty than Mạo Khê - TKV, với dữ liệu thu thập từ năm 2017 đến 2018. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển bền vững ngành than, giảm thiểu rủi ro cháy nổ và tăng cường an toàn lao động trong điều kiện than có tính tự cháy cao.

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 hiện tượng tự cháy than, bao gồm:

  • Cơ chế tự cháy than: Quá trình ôxy hóa than sinh nhiệt, tạo ra khí CO, CO2 và hơi nước, dẫn đến tăng nhiệt độ và phát sinh cháy nội sinh khi nhiệt lượng không được phân tán kịp thời.
  • Phân loại mức độ tự cháy than theo tiêu chuẩn Ba Lan PN-90/G-04558, dựa trên chỉ số tự cháy Sza và năng lượng hoạt hóa E, phân thành 5 nhóm từ rất thấp đến rất cao.
  • Các yếu tố ảnh hưởng đến tự cháy than: bao gồm yếu tố bản chất than (tuổi than, thành phần thạch học, độ ẩm, diện tích bề mặt tiếp xúc) và yếu tố bên ngoài (điều kiện địa chất, khí hậu, phương pháp khai thác, thông gió).
  • Mô hình phòng chống cháy nội sinh: kết hợp các giải pháp kỹ thuật như xây tường chắn cách ly, bơm khí ni tơ, bơm bùn, sử dụng hóa chất và hệ thống giám sát khí mỏ tự động.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số tự cháy Sza, năng lượng hoạt hóa E, thời gian ủ nhiệt, chỉ số Graham, và các phương pháp phòng chống cháy nội sinh.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế tại Công ty than Mạo Khê - TKV, bao gồm 13 mẫu than lấy từ các vị trí khác nhau của vỉa 10 cánh Bắc, dữ liệu khí CO, nhiệt độ, và các thông số kỹ thuật khai thác.
  • Phương pháp phân tích:
    • Thí nghiệm xác định tính tự cháy của than theo phương pháp Olpinski (Ba Lan) sử dụng thiết bị ESO-1 để đo chỉ số tự cháy Sza và năng lượng hoạt hóa E.
    • Xác định nhiệt lượng ôxy hóa than bằng thiết bị nhiệt lượng C80, đánh giá mức độ tự cháy dựa trên nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình ôxy hóa.
    • Phân tích khí mỏ, đo nồng độ CO, CH4, O2 để phát hiện dấu hiệu cháy nội sinh.
  • Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc, khảo sát hiện trạng phòng chống cháy tại diện khai thác vỉa 10 TBII tầng -80/-25 và -150/-80.
  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2017 đến 2018, tập trung vào các sự cố cháy nội sinh và các biện pháp phòng chống tại Công ty than Mạo Khê.

Cỡ mẫu gồm 13 mẫu than, được lấy theo quy trình nghiêm ngặt, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mức độ tự cháy của than vỉa 10 cánh Bắc: Kết quả thí nghiệm cho thấy than thuộc nhóm tự cháy II và III, tức là có khả năng tự cháy từ thấp đến trung bình. Nhiệt lượng ôxy hóa mẫu than dao động từ 91 đến 277 J/kg, trong đó đa số mẫu có nhiệt lượng lớn, chứng tỏ nguy cơ cháy cao. Thời gian ủ nhiệt ước tính từ 296 đến 655 ngày, cho thấy than có thể phát sinh cháy nội sinh trong khoảng thời gian dài.

  2. Hiện trạng khai thác và sự cố cháy nội sinh: Trong giai đoạn 2017-2018, tại diện khai thác vỉa 10 TBII tầng -80/-25 đã xảy ra hai vụ cháy nội sinh, với nồng độ khí CO tại phân tầng mức -38 lên đến 344 ppm, vượt ngưỡng an toàn. Công tác phòng chống cháy hiện tại chưa đủ hiệu quả, dẫn đến phải dừng khai thác diện sản xuất này.

  3. Phân tích điều kiện địa chất và công nghệ khai thác: Vỉa than có cấu tạo phức tạp, độ dốc trung bình 47°, chiều dày trung bình 3,14 m, đá vách và trụ vỉa có độ cứng trung bình đến cao. Công nghệ khai thác chủ yếu là lò dọc vỉa phân tầng (DVPT) với chống giữ bằng giá thủy lực di động. Tuy nhiên, điều kiện thông gió và thoát nước còn tồn tại nhiều điểm yếu, tạo điều kiện cho hiện tượng tự cháy phát triển.

  4. So sánh với các mỏ khác và nghiên cứu quốc tế: Tần suất và mức độ cháy nội sinh tại Công ty than Mạo Khê tương đương với các mỏ than có tính tự cháy thấp đến trung bình trên thế giới như Nga, Trung Quốc, Nhật Bản. Các biện pháp phòng chống cháy nội sinh đã được áp dụng tại các nước này bao gồm bơm khí ni tơ, xây tường chắn cách ly, bơm bùn và hệ thống giám sát khí mỏ tự động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến cháy nội sinh tại vỉa 10 cánh Bắc là do than có tính tự cháy từ thấp đến trung bình, kết hợp với điều kiện địa chất phức tạp và công tác thông gió chưa tối ưu. Nồng độ khí CO tăng cao là dấu hiệu cảnh báo sớm về nguy cơ cháy nội sinh, tuy nhiên việc phát hiện và xử lý chưa kịp thời đã dẫn đến sự cố cháy. So với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng đồng bộ các giải pháp phòng chống cháy như bơm khí ni tơ, xây tường chắn cách ly và sử dụng hệ thống giám sát khí mỏ tự động là cần thiết để giảm thiểu rủi ro. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt lượng ôxy hóa mẫu than theo vị trí lấy mẫu và bảng so sánh chỉ số tự cháy Sza giữa các mẫu, giúp minh họa rõ mức độ nguy cơ cháy tại từng khu vực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và hoàn thiện hệ thống tường chắn cách ly: Thi công các tường chắn bằng hóa chất và bao cát dọc luồng phá hỏa, ngăn cách khu vực khai thác với khu vực đã khai thác nhằm hạn chế sự lan truyền của khí và ngọn lửa. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng; Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật Công ty than Mạo Khê.

  2. Áp dụng công nghệ bơm khí ni tơ vào khu vực có nguy cơ tự cháy: Sử dụng khí ni tơ để làm trơ hóa không khí, giảm nồng độ ôxy dưới mức nguy hiểm, từ đó ngăn ngừa hiện tượng tự cháy. Thời gian triển khai: 3 tháng; Chủ thể: Phòng an toàn và kỹ thuật mỏ.

  3. Lắp đặt hệ thống giám sát khí mỏ tự động: Trang bị các đầu đo khí CO, CH4, O2 có độ nhạy cao tại các vị trí nguy cơ, kết nối với trung tâm điều khiển để cảnh báo sớm và tự động ngắt điện khi phát hiện nguy hiểm. Thời gian hoàn thành: 9 tháng; Chủ thể: Ban công nghệ thông tin và an toàn mỏ.

  4. Tăng cường công tác thông gió và cân bằng áp suất: Điều chỉnh lưu lượng gió, sử dụng quạt cục bộ để cân bằng áp suất giữa các khu vực, hạn chế rò gió vào khu vực phá hỏa. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Phòng khai thác và thông gió.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức công nhân về phòng chống cháy nội sinh: Tổ chức các khóa huấn luyện, tập huấn về nhận biết dấu hiệu cháy nội sinh và quy trình xử lý sự cố. Thời gian: liên tục hàng năm; Chủ thể: Ban nhân sự và an toàn lao động.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia khai thác mỏ than: Nghiên cứu các giải pháp phòng chống cháy nội sinh phù hợp với điều kiện địa chất và công nghệ khai thác tại các mỏ than có tính tự cháy cao.

  2. Ban lãnh đạo và quản lý các công ty than: Áp dụng các đề xuất kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao an toàn lao động, giảm thiểu rủi ro cháy nổ, đảm bảo sản xuất ổn định.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành khai thác mỏ: Tham khảo phương pháp thí nghiệm xác định tính tự cháy than, phân tích dữ liệu và xây dựng giải pháp phòng chống cháy nội sinh.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn mỏ và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn an toàn trong khai thác than hầm lò.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tự cháy than là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Tự cháy than là quá trình than bị ôxy hóa sinh nhiệt dẫn đến tăng nhiệt độ và phát sinh cháy âm ỉ trong lòng đất hoặc đống than. Nó nguy hiểm vì có thể gây cháy nổ, ảnh hưởng đến an toàn lao động và sản xuất.

  2. Làm thế nào để phát hiện sớm hiện tượng cháy nội sinh trong mỏ than?
    Phát hiện sớm dựa trên việc đo nồng độ khí CO, CH4, O2 trong không khí mỏ, đặc biệt là sự tăng đột biến khí CO. Hệ thống giám sát khí mỏ tự động giúp cảnh báo kịp thời.

  3. Các giải pháp phòng chống cháy nội sinh hiệu quả nhất hiện nay là gì?
    Bao gồm xây tường chắn cách ly, bơm khí ni tơ làm trơ hóa không khí, bơm bùn cách ly than với ôxy, điều chỉnh thông gió và sử dụng hệ thống giám sát khí mỏ tự động.

  4. Thời gian ủ nhiệt của than có ý nghĩa gì trong phòng chống cháy?
    Thời gian ủ nhiệt là khoảng thời gian than cần để tích tụ đủ nhiệt lượng gây cháy. Biết được thời gian này giúp dự báo và lập kế hoạch phòng chống cháy hiệu quả.

  5. Tại sao cần cân bằng áp suất trong hệ thống thông gió mỏ than?
    Cân bằng áp suất giúp hạn chế rò gió vào khu vực phá hỏa, giảm nguy cơ cung cấp ôxy cho than tự cháy, từ đó ngăn ngừa phát sinh cháy nội sinh.

Kết luận

  • Than vỉa 10 cánh Bắc tại Công ty than Mạo Khê - TKV có tính tự cháy từ thấp đến trung bình, với thời gian ủ nhiệt ước tính từ 296 đến 655 ngày.
  • Hai vụ cháy nội sinh đã xảy ra trong giai đoạn 2017-2018 tại diện khai thác vỉa 10 TBII tầng -80/-25, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn và sản xuất.
  • Các giải pháp phòng chống cháy nội sinh cần được đồng bộ triển khai, bao gồm xây tường chắn cách ly, bơm khí ni tơ, lắp đặt hệ thống giám sát khí mỏ tự động và điều chỉnh thông gió.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để nâng cao hiệu quả phòng chống cháy nội sinh tại mỏ than Mạo Khê và có thể áp dụng cho các mỏ than khác có tính tự cháy tương tự.
  • Đề nghị các đơn vị liên quan nhanh chóng triển khai các giải pháp đề xuất trong vòng 1-2 năm tới nhằm đảm bảo an toàn và phát triển bền vững ngành than.

Hành động tiếp theo là xây dựng kế hoạch chi tiết triển khai các giải pháp phòng chống cháy nội sinh và tổ chức đào tạo nâng cao nhận thức cho công nhân mỏ.