Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò ở vùng quảng ninh

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò ở vùng, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Nguyễn Văn Thịnh
• Người hướng dẫn: PTS. Đặng Vũ Chí
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Khai thác mỏ
• Đề tài: Nghiên cứu chế độ thoát khí mêtan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘ THOÁT KHÍ MÊTAN TRONG CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
• 1.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ KHÍ MÊ TAN
• 1.2. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới
• 1.3. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan ở các mỏ than hầm lò ở Việt Nam
• 1.4. Nhận xét chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỘ CHỨA KHÍ MÊ TAN CỦA CÁC VỈA THAN TẠI CÁC MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
• 2.1. Đặc điểm chung về độ chứa khí mê tan trong các vỉa than
• 2.2. Đặc điểm địa chất vùng than Quảng Ninh
• 2.3. Kết quả xác định độ chứa khí mê tan trong vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
• 2.4. Nghiên cứu quy luật phân bố độ chứa khí mê tan trong vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
• 2.5. Nhận xét chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THOÁT KHÍ MÊ TAN KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU TẠI CÁC MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
• 3.1. Nghiên cứu độ thoát khí mê tan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
• 3.2. Dự báo độ thoát khí mê tan ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu
• 3.3. Nhận xét chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG NGỪA CHÁY NỔ KHÍ MÊ TAN CHO CÁC MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
• 4.1. Các biện pháp phòng ngừa mối nguy hiểm từ khí mê tan
• 4.2. Các biện pháp chủ động loại trừ mối nguy hiểm của khí mê tan
• 4.3. Nhận xét chương 4
• MỞ ĐẦU
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khí mê tan trong khai thác than hầm lò

Khí mê tan (mêtan) là một trong những khí nguy hiểm nhất trong quá trình khai thác than hầm lò. Nó có thể gây ra các vụ cháy nổ nghiêm trọng, ảnh hưởng đến an toàn lao động và môi trường. Đặc điểm hóa lý của khí mê tan cho thấy nó là khí không màu, không mùi, và nhẹ hơn không khí. Khi hàm lượng khí mê tan trong không khí đạt từ 5% đến 15%, nó có khả năng gây nổ. Do đó, việc nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan là rất cần thiết để đảm bảo an toàn trong khai thác than sâu tại vùng Quảng Ninh. Theo các nghiên cứu, khí mê tan được hình thành trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong lòng đất, và nó có thể tồn tại dưới dạng tự do hoặc không tự do trong các vỉa than. Việc xác định độ chứa khí mê tan trong các vỉa than là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá nguy cơ cháy nổ.

1.1. Tính chất và nguồn gốc khí mê tan

Khí mê tan được hình thành từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong lòng đất. Nó có thể tồn tại dưới dạng tự do trong các lỗ hổng của đất đá. Nguồn gốc hình thành khí mê tan chủ yếu đến từ sự phân hủy của thực vật và các vi sinh vật trong môi trường yếm khí. Quá trình này không chỉ tạo ra khí mê tan mà còn sản sinh ra các khí khác như CO2. Việc hiểu rõ về nguồn gốc và tính chất của khí mê tan sẽ giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong việc phát triển các biện pháp phòng ngừa hiệu quả hơn trong khai thác than hầm lò.

II. Đặc điểm độ chứa khí mê tan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Nghiên cứu về độ chứa khí mê tan trong các vỉa than tại vùng Quảng Ninh cho thấy sự biến đổi đáng kể giữa các mỏ. Độ chứa khí mê tan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc địa chất, độ sâu khai thác và phương pháp khai thác. Các mỏ than hầm lò tại Quảng Ninh có độ chứa khí mê tan cao, đặc biệt là ở các khu vực khai thác sâu. Việc xác định chính xác độ chứa khí mê tan là rất quan trọng để dự báo và quản lý nguy cơ cháy nổ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi khai thác xuống sâu, độ chứa khí mê tan có xu hướng tăng lên, điều này đòi hỏi các biện pháp an toàn nghiêm ngặt hơn trong quá trình khai thác.

2.1. Phân bố độ chứa khí mê tan

Phân bố độ chứa khí mê tan trong các vỉa than tại vùng Quảng Ninh cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các khu vực. Các mỏ như Mạo Khê, Hà Lầm và Khe Chàm 1 đều có độ chứa khí mê tan cao, đặc biệt là ở các vỉa than sâu. Việc lập bản đồ phân bố độ chứa khí mê tan sẽ giúp các nhà quản lý mỏ có cái nhìn tổng quan về tình hình khí mê tan, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có giá trị thực tiễn trong việc đảm bảo an toàn cho công nhân và thiết bị trong quá trình khai thác.

III. Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu

Chế độ thoát khí mê tan trong quá trình khai thác than hầm lò sâu tại vùng Quảng Ninh là một vấn đề phức tạp. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi khai thác xuống sâu, lượng khí mê tan thoát ra từ các vỉa than tăng lên đáng kể. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến an toàn lao động mà còn tác động đến môi trường xung quanh. Việc dự báo độ thoát khí mê tan là cần thiết để có các biện pháp phòng ngừa hiệu quả. Các phương pháp nghiên cứu hiện tại bao gồm việc sử dụng các mô hình toán học để dự đoán lượng khí thoát ra trong các điều kiện khai thác khác nhau.

3.1. Dự báo độ thoát khí mê tan

Dự báo độ thoát khí mê tan là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các mô hình hồi quy được xây dựng để dự đoán lượng khí thoát ra dựa trên các yếu tố như độ sâu khai thác, độ chứa khí mê tan và sản lượng khai thác. Kết quả dự báo cho thấy rằng, với mỗi mét khai thác sâu hơn, lượng khí mê tan thoát ra sẽ tăng lên. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo dõi và quản lý khí mê tan trong quá trình khai thác, nhằm đảm bảo an toàn cho công nhân và giảm thiểu rủi ro cháy nổ.

IV. Giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan

Để đảm bảo an toàn trong khai thác than hầm lò, việc áp dụng các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan là rất cần thiết. Các biện pháp này bao gồm việc cải thiện hệ thống thông gió, sử dụng thiết bị đo khí mê tan và thực hiện các quy trình an toàn trong khai thác. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng các công nghệ mới trong khai thác có thể giảm thiểu đáng kể nguy cơ cháy nổ. Ngoài ra, việc đào tạo công nhân về an toàn lao động cũng là một yếu tố quan trọng trong việc phòng ngừa các sự cố liên quan đến khí mê tan.

4.1. Các biện pháp chủ động phòng ngừa

Các biện pháp chủ động phòng ngừa cháy nổ khí mê tan bao gồm việc thiết lập hệ thống cảnh báo sớm và cải thiện quy trình khai thác. Việc sử dụng các thiết bị hiện đại để theo dõi nồng độ khí mê tan trong không khí là rất quan trọng. Hệ thống thông gió cũng cần được cải thiện để đảm bảo khí mê tan không tích tụ trong các lò chợ. Các biện pháp này không chỉ giúp bảo vệ an toàn cho công nhân mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Theo Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14 tháng 3 năm 2016 của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, sản lượng than thương phẩm toàn ngành được định hướng đạt 41 - 44 triệu tấn (năm 2016), 47 - 50 triệu tấn (năm 2020), 51 - 54 triệu tấn (năm 2025) và 55 - 57 triệu tấn (năm 2030). Nhằm đáp ứng mục tiêu sản lượng này, các mỏ than hầm lò phải gia tăng chiều sâu khai thác, mở rộng quy mô sản xuất và đẩy mạnh cơ giới hóa khâu khai thác, đào lò. Việc gia tăng sản lượng than kéo theo lượng khí mêtan ($CH_4$) thoát ra các gương lò chợ và đường lò chuẩn bị ngày càng lớn. Khí mêtan là loại khí có khả năng gây cháy nổ nghiêm trọng; lịch sử khai thác hầm lò trên thế giới và tại Việt Nam đã ghi nhận nhiều sự cố nổ khí gây tổn thất nặng nề về người và thiết bị mỏ.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: các công trình nghiên cứu về độ chứa khí và độ thoát khí mêtan ở Việt Nam trước đây chủ yếu tập trung cục bộ vào một số mỏ có độ thoát khí cao, chưa mang tính chất tổng thể toàn diện cho cả bể than và chưa đưa ra được mô hình dự báo định lượng khi khai thác xuống sâu cho từng vùng khoáng sàng hay từng mỏ hầm lò cụ thể để có biện pháp ngăn chặn hiện tượng tích tụ khí vượt giới hạn cho phép. Do đó, luận án "Nghiên cứu chế độ thoát khí metan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh" được thực hiện nhằm giải quyết yêu cầu kỹ thuật và an toàn này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung chính:

1. Nghiên cứu chế độ thoát khí mêtan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu.
2. Đề xuất các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mêtan phù hợp khi tiến hành khai thác tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

Đối tượng nghiên cứu: Độ thoát khí và độ chứa khí mêtan trong các vỉa than ảnh hưởng đến quá trình khai thác xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

Phạm vi nghiên cứu: Các mỏ than hầm lò thuộc vùng than Quảng Ninh, trong đó tập trung khảo sát, thu thập dữ liệu đo đạc thực nghiệm tại ba mỏ đại diện gồm mỏ than Mạo Khê, mỏ than Hà Lầm và mỏ than Khe Chàm 1, dựa trên số liệu quan trắc và sản lượng khai thác giai đoạn 2007 - 2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu về độ thoát khí mêtan trên thế giới và ở Việt Nam:

Tại Ba Lan, các chuyên gia đã tiến hành khảo sát thực nghiệm tại 21 lò chợ thuộc 06 mỏ than hầm lò vùng bể than Silesia, sử dụng thiết bị đo diện tích trên băng giấy ghi của hệ thống quan trắc tự động để xác định hàm lượng mêtan trung bình ngày đêm. Kết quả chỉ ra độ thoát khí tuyệt đối tăng khi sản lượng lò chợ tăng, trong khi độ thoát khí tương đối giảm khi sản lượng tăng. Nghiên cứu tại mỏ than Brzeszcze (vỉa XXXII) đã xác định quy luật biến thiên hàm lượng mêtan trong luồng gió thải theo chu kỳ sản xuất: trong 3 giờ kết thúc tải than, nồng độ khí ít biến động; khi tiến hành phá hỏa và khoan nổ mìn ở đầu lò chợ, nồng độ tăng 0,2%, sau đó giảm khoảng 0,13%; khi khoan nổ mìn chân lò chợ, nồng độ tăng 0,33%; khi kết thúc nổ mìn và tải than, nồng độ giảm dần (khoảng 0,4%) xuống mức thấp nhất trong ngày. Tại Mỏ thực nghiệm Barbara, công thức tính toán độ thoát khí mêtan tuyệt đối $V_{kt}$ vào lò chợ đã được xây dựng dựa trên các thông số chiều dài lò chợ ($L_{lc}$), chiều dày lớp khấu ($m_{kh}$), trọng lượng thể tích than trong vỉa ($\gamma_v$), độ chứa khí trong vỉa ($W_v$) và tốc độ tiến gương ($p$).

Tại Liên Xô cũ (Nga, Kazakhstan, Ukraine), các công trình nghiên cứu tại bể than Đôn-bát (vỉa $h_{10}, h'{10}$), bể than Karaganda (vỉa $k{18}, k_{12}, k_{10}$, vỉa Felix, vỉa Mới, vỉa Mariana, vỉa Đvoinoi) và bể than Kuzbas (mỏ Kirov vỉa Bonđurevski, vỉa Prokopecski-Kocsovia) đã xác định ba nguồn thoát khí chính vào lò chợ: bề mặt gương than, than đã khấu và khoảng không gian đã khai thác. Cường độ thoát khí từ than đã khấu giảm nhanh theo thời gian và kích thước hạt ($0,14 - 1,5\text{ mm}$; $0,3 - 5,0\text{ mm}$; $5 - 10\text{ mm}$). Lượng khí thoát từ khoảng đã khai thác vào đường lò thông gió tăng theo khoảng cách xa gương lò, đạt đỉnh ở cự ly 100 - 250 m và có trường hợp đột biến đến 1000 m. Về phương pháp dự báo, Liên Xô áp dụng phương pháp thống kê dựa trên bậc giàu khí $L = (H_2 - H_1)/(M_{p2} - M_{p1})$ và phương trình hồi quy $M = f(H)$.

Tại Rumani, các nghiên cứu tại mỏ than Lupeni (vỉa B, vỉa 5) và mỏ Uricani thuộc thung lũng Jiu phân tích sự phân bố khí trên tiết diện ngang đường lò, luồng gió thải khi khấu giật và khấu đuổi, cùng hiện tượng tích tụ khí trong khoảng đã khai thác với hàm lượng đạt từ giới hạn nổ đến 60%. Tại Tây Âu, phương pháp dự báo của Shulza, Wintera và Stuffkena tính toán độ thoát khí tương đối $M$ từ độ chứa khí tự nhiên ($W_{tn}$) và hệ số ảnh hưởng của các vỉa lân cận ($W_{lc}, m_{lc}, n_{lc}$). Luận án cũng trích dẫn số liệu thống kê trữ lượng và sản lượng từ báo cáo của BP Statistical (2013, 2015, 2016) và dự báo của FOCUSECONOMICS (2016).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Trần Tú Ba, Lê Văn Thao đã tiếp cận phương pháp dự báo độ thoát khí theo mô hình của Mỏ thực nghiệm Barbara (Ba Lan). Tuy nhiên, điều kiện mỏ - địa chất than Ba Lan là than năng lượng (bitum), vỉa nằm ngang hoặc thoải ở độ sâu lớn hàng nghìn mét; trong khi than vùng Quảng Ninh là than antraxit (chiếm 96,19%), vỉa dốc và độ sâu khai thác hiện nay nông hơn (mỏ sâu nhất Khe Chàm II-IV dự kiến đến mức -500 m vào năm 2022).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Luận án xác định các hệ số tương quan thực nghiệm để hiệu chỉnh công thức tính toán lý thuyết của Ba Lan cho phù hợp với điều kiện than antraxit Quảng Ninh, đồng thời xây dựng mô hình hồi quy dự báo định lượng độ chứa khí và độ thoát khí khi khai thác xuống sâu trên phạm vi toàn vùng than.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khí mêtan ($CH_4$) là hydrocacbon bão hòa nhóm parafin, không màu, không mùi, không vị, khối lượng riêng ở điều kiện tiêu chuẩn là $0,716\text{ kg/m}^3$, độ hòa tan trong nước đạt $3,5%$ ở điều kiện thường. Trong không khí, 4,8% mêtan có khả năng chiếm chỗ và đẩy lùi 1% oxy. Mêtan có khả năng cháy nổ khi nồng độ thể tích nằm trong khoảng 5% đến 15% (hoặc 5% đến 16%), nổ mạnh nhất ở nồng độ 9,5% khi hàm lượng oxy tối thiểu đạt khoảng 8%. Phản ứng cháy tỏa nhiệt:

$$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + 55594\text{ kJ/kg } CH_4$$

Nhiệt độ nổ tối đa trong buồng kín đạt $2650^\circ\text{C}$ (thực tế đường lò không quá $1850^\circ\text{C}$), áp suất nổ tối đa đạt $650\text{ kPa}$ (6,5 at).

Nhiệt độ gây nổ thay đổi tùy theo nồng độ mêtan trong hỗn hợp không khí:

Hàm lượng $CH_4$ (%)	2,0	3,4	6,5	7,6	8,1	9,5	11,0	14,0
Nhiệt độ gây nổ ($^\circ\text{C}$)	810	665	512	510	514	525	539	565

Thời gian ủ nhiệt dẫn đến nổ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn kích thích và nồng độ khí:

Hàm lượng $CH_4$ (%)	Thời gian ủ nhiệt ở $775^\circ\text{C}$ (s)	Thời gian ủ nhiệt ở $875^\circ\text{C}$ (s)	Thời gian ủ nhiệt ở $975^\circ\text{C}$ (s)
6	1,08	0,35	0,12
7	1,15	0,36	0,13
8	1,25	0,37	0,14
9	1,30	0,39	0,14
10	1,40	0,41	0,15
12	1,64	0,44	0,16

Cơ chế nổ lặp hình thành do không khí giãn nở tạo áp suất âm tại tâm nổ, hút mêtan từ các khu vực lân cận dồn về và bắt cháy bởi nhiệt độ còn sót lại. Thống kê tổn thất sinh mạng do nổ khí và bụi than ghi nhận: 8 - 10% tử vong do chấn thương cơ học, 25% do tác dụng nhiệt và 65% do ngạt thở và nhiễm độc khí CO.

Về nguồn gốc sinh thành, mêtan hình thành từ quá trình sinh hóa phân hủy xenlulô của thực vật tạo than:

$$2C_6H_{10}O_5 \rightarrow 5CH_4 + 5CO_2 + 2C$$

Trong vỉa than và đất đá, mêtan tồn tại ở dạng tự do (chiếm 5 - 22% ở áp suất 50 bar; 36% ở 100 bar; 65% ở 800 bar theo Ianôscôi) và dạng không tự do (hấp phụ, hấp phụ xâm nhập, hoạt hóa; trong đó dạng liên kết hấp phụ chiếm tỷ trọng cơ bản). Về cấu trúc phân đới khí theo chiều sâu, khoáng sàng được chia thành 4 miền: miền khí hóa sinh và khí quyển ($N_2$ và $CO_2 \ge 20%$), miền khí quyển ($N_2 \ge 80%$), miền khí quyển và biến chất ($N_2$ và $CH_4 \le 50%$, lưu lượng tương đối không quá $2\text{ m}^3\text{/tấn}$), và miền khí biến chất ($CH_4 \ge 80%$, hàm lượng tăng dần theo chiều sâu).

Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp khảo sát, tổng hợp và kế thừa tài liệu;
• Phương pháp phân tích, thống kê và phương pháp đồ thị;
• Phương pháp nội suy tuyến tính và phi tuyến tính;
• Phương pháp bình phương nhỏ nhất để xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được trích xuất từ các tài liệu lưu trữ kỹ thuật của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin), Trung tâm An toàn mỏ, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, Trung tâm Cấp cứu mỏ và số liệu quan trắc thực tế tại các mỏ than Mạo Khê, Hà Lầm, Khe Chàm 1.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan trong các mỏ than hầm lò trên thế giới và Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa tính chất hóa lý, các điều kiện gây nổ, cơ chế lan truyền sóng nổ và hậu quả các vụ cháy nổ khí mêtan. Luận án thống kê các vụ tai nạn nổ khí điển hình tại các mỏ than hầm lò trên thế giới (vụ nổ năm 1942 tại mỏ Hôn-kêi-kô Trung Quốc gây thiệt mạng 1527 người; mỏ Miike Nhật Bản năm 1963 làm chết 458 người; mỏ Ham Vestfali Đức năm 1908 làm chết 335 người; mỏ Soma Thổ Nhĩ Kỳ năm 2014 làm chết 299 người) và các vụ sự cố nghiêm trọng tại Việt Nam:

Thời gian	Tên mỏ	Nguyên nhân	Số người chết
01-1999	Mạo Khê	Nổ khí mêtan	19
03-2006	Thống Nhất	Nổ khí mêtan	8
12-2008	Khe Chàm	Nổ khí mêtan	11
07-2012	Công ty than 86	Nổ khí mêtan	5
01-2014	Mỏ than Đồng Vông	Cháy khí mêtan	6

Về tài nguyên, trữ lượng than thế giới tính đến cuối năm 2015 là 891.531 triệu tấn. Tại Việt Nam, trữ lượng than antraxit tập trung chủ yếu ở bể than Quảng Ninh (kéo dài 130 km từ Phả Lại đến Vạn Hoa, rộng 10 - 30 km, chia thành ba vùng Cẩm Phả, Hòn Gai và Uông Bí - Đông Triều):

TT	Khu vực	Chắc chắn (111+121+122)	Tin cậy (211+221+331)	Dự tính (222+332)	Dự báo (333+334a+334b)	Tổng số
1	Tổng tài nguyên và trữ lượng	6.012	-	-	-	6.287.000
2	Huy động vào quy hoạch	2.172.000	-	-	-	2.172.000

(Đơn vị: 1.000 tấn; số liệu thống kê đến 31/12/2015)

Đặc điểm địa chất vỉa than Quảng Ninh có cấu tạo đơn giản chỉ chiếm khoảng 29%, còn lại là phức tạp và rất phức tạp, phân cắt bởi hệ thống đứt gãy kiến tạo có biên độ dịch chuyển nhỏ (tại mỏ Vàng Danh có 93% đứt gãy biên độ dưới 15 cm phát hiện trong khai thác; mỏ Mạo Khê có 88 đứt gãy; mỏ Hà Lầm có 129 đứt gãy). Địa tầng chứa than gồm các tập đá sét kết, bột kết, cát kết xen kẽ, hệ số thẩm thấu nước đa số dưới $0,1\text{ m/ngày đêm}$ (cực đại $0,52\text{ m/ngày đêm}$). Than antraxit và bán antraxit chiếm 96,19%. Về công nghệ, mỏ áp dụng sơ đồ cột dài theo phương khấu dốc; chống giữ bằng cột thủy lực đơn hoặc giá khung di động, giá khung xích (chiều dài 100 - 150 m, sản lượng 100 - 180 ngàn tấn/năm; chống gỗ 60 - 100 m, sản lượng 50 - 60 ngàn tấn/năm); vỉa dốc trên $50^\circ$ áp dụng giàn mềm cắt nghiêng, chia lớp ngang nghiêng hoặc bậc chân khay; thử nghiệm cơ giới hóa combai kết hợp giàn chống thủy lực tại vỉa 14 Khe Chàm, Vàng Danh và Nam Mẫu; đào lò dùng combai AM-50, AM-45Ex.

Tác giả phân tích các phương pháp dự báo của Tây Âu (Shulza, Wintera, Stuffkena), Liên Xô (thống kê bậc giàu khí) và Ba Lan (mô hình Mỏ thực nghiệm Barbara), rút ra kết luận cần thiết lập hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm cho các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.

Chương 2. Đặc điểm độ chứa khí mê tan của các vỉa than tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 2 trình bày bản chất độ chứa khí mêtan (lượng khí mêtan ở điều kiện tiêu chuẩn có trong 1 tấn khối cháy của vỉa than, ký hiệu $m^3/T_{kc}$). Độ chứa khí phụ thuộc vào cấu trúc khoáng sàng kín hay hở và các biến động kiến tạo. Khoáng sàng than Quảng Ninh có đặc điểm chứa các lớp đất đá kẹp xen kẽ giữa các vỉa than, tạo nên các tầng chắn giữ khí ở các mức sâu.

Tác giả tổng hợp kết quả phân tích độ chứa khí mêtan trong các vỉa than tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh (Bảng 2.1) và thiết lập đồ thị phân bố độ chứa khí theo chiều sâu tại các mỏ Mạo Khê, Hà Lầm, Khe Chàm. Kết quả cho thấy độ chứa khí mêtan biến thiên tăng dần theo chiều sâu khai thác. Trên cơ sở số liệu phân tích mẫu, tác giả xây dựng hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa độ chứa khí mêtan với độ sâu khai thác và lập bảng dự báo độ chứa khí mêtan trong các vỉa than tại một số mỏ (Bảng 2.2), làm căn cứ thành lập bản đồ phân vùng khí mêtan theo không gian và chiều sâu cho toàn vùng than Quảng Ninh.

Chương 3. Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 3 tập trung phân tích số liệu đo đạc thực tế về độ thoát khí mêtan tại các lò chợ thuộc 3 mỏ đại diện:

• Mỏ than Mạo Khê: khảo sát lò chợ 6ĐMR tại các mức cao độ +30/+67, mức -25/+30, mức -80/-25 và mức -150/-80.
• Mỏ than Hà Lầm: khảo sát khu III vỉa 10 tại các lò chợ mức +40/+24, mức +20/-18, mức -20/-46, mức -46/-65 và mức -70/-100.
• Mỏ than Khe Chàm 1: khảo sát các lò chợ vỉa 13 (vỉa 13.1, vỉa 13.2-4 mức -100/-125).

Số liệu khảo sát và tính toán được tổng hợp trong các bảng chế độ khí mêtan (Bảng 3.14 mỏ Mạo Khê, Bảng 3.15 mỏ Hà Lầm, Bảng 3.16 mỏ Khe Chàm 1). Luận án cũng thống kê mức độ khai thác và tổng thể tích khí mêtan thoát ra môi trường của các mỏ này qua các năm 2007 - 2015 (Bảng 3.17 đến 3.20).

Phân tích đồ thị mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và chế độ thoát khí ghi nhận:

• Độ thoát khí mêtan tuyệt đối ($m^3/\text{phút}$) tăng tỷ lệ thuận với độ chứa khí tự nhiên trong vỉa và sản lượng khai thác của lò chợ (Hình 3.7 mỏ Mạo Khê, Hình 3.8 mỏ Hà Lầm, Hình 3.9 mỏ Khe Chàm 1).
• Độ thoát khí mêtan tương đối ($m^3/\text{tấn}$) có xu hướng giảm khi sản lượng lò chợ tăng (Hình 3.10 mỏ Mạo Khê, Hình 3.11 mỏ Hà Lầm, Hình 3.12 mỏ Khe Chàm 1).
• Đối với hệ thống khai thác chia lớp, lò chợ lớp vách có độ thoát khí mêtan lớn hơn so với lò chợ lớp trụ.

Tác giả so sánh kết quả tính toán dự báo theo mô hình lý thuyết của Mỏ Barbara với kết quả đo đạc thực tế tại các lò chợ (Bảng 3.24, 3.25, 3.26). Nhằm khắc phục độ lệch giữa tính toán lý thuyết và thực tế đo đạc, tác giả sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính:

$$y = 0,8651x + 0,00246$$

với hệ số tương quan $R^2 = 0,9896$ (trong đó $x$ là giá trị dự báo theo công thức lý thuyết, $y$ là giá trị đo đạc thực tế). Như vậy, giá trị dự báo độ thoát khí thực tế tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh bằng kết quả tính toán lý thuyết nhân với hệ số $k = 0,8651$ và cộng thêm hằng số $0,00246$.

Chương 4. Đề xuất các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 4 phân chia hệ thống an toàn khí thành hai nhóm biện pháp:

1. Các biện pháp phòng ngừa mối nguy hiểm (thụ động):

• Bố trí các lỗ khoan thăm dò địa chất và đo khí trước gương lò.
• Sử dụng thiết bị đo và cảnh báo khí cầm tay, thiết bị MMI-01.
• Duy trì hệ thống quan trắc tự động liên tục truyền dữ liệu về trung tâm theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 01:2011/BCT.
• Tối ưu hóa sơ đồ thông gió: đánh giá ưu nhược điểm của sơ đồ thông gió chữ "U" (thông gió nghịch), sơ đồ thông gió thuận từ dưới lên/từ trên xuống và sơ đồ khấu đuổi. Sơ đồ chữ "U" thường tạo vùng tích tụ khí nồng độ cao ở góc trên lò chợ giáp đường lò thông gió; sơ đồ thông gió thuận giúp đẩy vùng khí cao lùi sâu vào khoảng phá hỏa xa gương khai thác.

2. Các biện pháp chủ động loại trừ mối nguy hiểm (khoan tháo khí):

• Luận án thiết kế phương án khoan tháo khí mêtan áp dụng cụ thể cho diện khai thác lò chợ I-11-5 mỏ than Khe Chàm 1 bằng các lỗ khoan bố trí từ đường lò thông gió khoan đón vào vùng phá hỏa và vỉa than.
• Xác định thông số kỹ thuật lỗ khoan tại trạm khám khoan (Bảng 4.1).
• Lựa chọn thiết bị khoan: máy khoan chuyên dụng loại WD-02EA, WD-02H, WDP-1C, WDP-2A, WDH-1; máy bơm rửa loại WT-30-2PB (đặc tính kỹ thuật tại Bảng 4.2).
• So sánh ưu nhược điểm kỹ thuật và an toàn của hai phương án dẫn xả khí (Bảng 4.3):
  • Phương án 1: Dẫn khí mêtan theo hệ thống đường ống chuyên dụng lên mặt đất và xả ra bầu khí quyển;
  • Phương án 2: Dẫn xả khí mêtan trực tiếp vào luồng gió thải của đường lò thông gió thuộc trạm quạt gió chính.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:

Về mặt khoa học:

• Xây dựng được hàm hồi quy theo phương pháp bình phương nhỏ nhất biểu diễn mối quan hệ giữa độ chứa khí mêtan trong các vỉa than tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh với độ sâu khai thác.
• Xác lập được mô hình hàm hồi quy hiệu chỉnh độ thoát khí mêtan cho các lò chợ: $y = 0,8651x + 0,00246$ với hệ số tương quan $R^2 = 0,9896$. Mô hình này giải quyết sự thiếu tương thích khi áp dụng trực tiếp công thức tính toán lý thuyết quốc tế (mỏ Barbara, Ba Lan) vào điều kiện than antraxit Quảng Ninh.
• Chứng minh và chuẩn hóa ba luận điểm khoa học:
  1. Càng khai thác xuống sâu thì độ chứa khí và độ thoát khí mêtan càng tăng;
  2. Cùng một điều kiện địa chất, độ thoát khí mêtan phụ thuộc vào độ chứa khí trong vỉa và sản lượng khai thác của lò chợ;
  3. Đối với hệ thống khai thác chia lớp, độ thoát khí mêtan ở lò chợ lớp vách lớn hơn ở lò chợ lớp trụ.

Về mặt thực tiễn:

• Thành lập bản đồ phân vùng khí mêtan theo phạm vi không gian và theo chiều sâu cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
• Cung cấp công cụ toán học hỗ trợ các mỏ dự báo độ thoát khí mêtan cho các tầng khai thác xuống sâu tiếp theo dựa trên dữ liệu đo đạc thực tế của mức khai thác hiện hữu.
• Đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ khoan tháo khí chủ động, xác định các thông số mạng lỗ khoan, lựa chọn tổ hợp thiết bị khoan (WD, WDP, WDH) và máy bơm rửa (WT-30-2PB), cùng phương án vận chuyển và xả khí mêtan phù hợp cho diện khai thác mỏ Khe Chàm 1.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

• Cơ sở dữ liệu thực nghiệm về độ thoát khí tập trung khảo sát chi tiết tại ba mỏ hầm lò (Mạo Khê, Hà Lầm, Khe Chàm 1) trong giai đoạn 2007 - 2015, chưa bao quát toàn bộ các mỏ hầm lò có cấu trúc địa chất dị thường khác thuộc vùng Than Uyên, Nội Bài hay các vỉa có tính chất biến chất đặc biệt trong toàn bể than.
• Về công nghệ khai thác, các quy luật thực nghiệm mới khảo sát trên công nghệ khấu cột dài theo phương truyền thống và chia lớp; chưa mở rộng đánh giá đối với các công nghệ cơ giới hóa đồng bộ thu hồi than nóc công suất lớn ở các mức khai thác rất sâu (dưới -300 m đến -500 m).
• Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiếp tục kiểm chứng mô hình hồi quy tại các dự án khai thác xuống sâu đến mức -500 m (điển hình như mỏ than Khe Chàm II-IV); mở rộng quan trắc tại các diện áp dụng công nghệ giàn chống tự hành kết hợp máy khấu than để hoàn thiện hệ số điều chỉnh cho điều kiện cơ giới hóa toàn diện.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khai thác mỏ, Kỹ thuật an toàn và thông gió mỏ tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình hồi quy bình phương nhỏ nhất trong dự báo khí mỏ; quy trình xử lý số liệu quan trắc khí hầm lò; phương pháp phân tích nguồn gốc và động học thoát khí theo chu kỳ công nghệ.
• Kỹ sư thông gió, cán bộ an toàn và cán bộ thiết kế mỏ tại Tập đoàn Vinacomin và các công ty than (Mạo Khê, Hà Lầm, Khe Chàm, Vàng Danh, Thống Nhất...): Ứng dụng công thức hồi quy $y = 0,8651x + 0,00246$ để tính toán lưu lượng gió cần thiết cho các diện khai thác mới chuẩn bị xuống sâu; sử dụng các thông số kỹ thuật khoan tháo khí (đường kính, góc dốc, bố trí trạm khoan, thiết bị khoan WD và máy bơm rửa WT-30-2PB) để lập biện pháp thi công tháo khí cục bộ cho các vỉa than có độ chứa khí cao.
• Cơ quan quản lý kỹ thuật và an toàn (Bộ Công Thương, Cục Kỹ thuật an toàn và Môi trường công nghiệp): Cung cấp số liệu cơ sở để rà soát, bổ sung các quy định kỹ thuật về phân loại mỏ theo độ thoát khí và kiểm soát nguy cơ cháy nổ trong Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 01:2011/BCT.

Câu hỏi thường gặp

1. Khí mêtan trong mỏ than hầm lò có các đặc tính hóa lý và giới hạn cháy nổ nguy hiểm như thế nào? Khí mêtan ($CH_4$) không màu, không mùi, không vị, khối lượng riêng $0,716\text{ kg/m}^3$, nhẹ hơn không khí và tan rất ít trong nước ($3,5%$). Hỗn hợp khí mêtan - không khí có khả năng nổ khi hàm lượng mêtan đạt từ 5% đến 15% (hoặc 5% đến 16%) với hàm lượng oxy tối thiểu khoảng 8%, nổ mạnh nhất ở nồng độ 9,5%. Nhiệt độ bắt nổ thấp nhất là $510^\circ\text{C}$ ứng với nồng độ mêtan khoảng 7,6%. Nhiệt độ nổ trong buồng kín có thể đạt tới $2650^\circ\text{C}$ (thực tế mỏ không quá $1850^\circ\text{C}$) và áp suất nổ tối đa đạt $650\text{ kPa}$.

2. Công thức toán học nào được luận án xác lập để điều chỉnh độ thoát khí dự báo cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh? Dựa trên kết quả đo đạc thực tế đối chứng với tính toán lý thuyết theo phương pháp mỏ Barbara (Ba Lan), luận án đã thiết lập hàm hồi quy tuyến tính theo phương pháp bình phương nhỏ nhất có dạng:

$$y = 0,8651x + 0,00246$$

với hệ số tương quan $R^2 = 0,9896$. Trong đó, $x$ là giá trị độ thoát khí tính toán theo lý thuyết và $y$ là giá trị độ thoát khí đo đạc thực tế.

3. Mối quan hệ giữa sản lượng khai thác của lò chợ với độ thoát khí tuyệt đối và độ thoát khí tương đối diễn ra theo quy luật nào? Tại các lò chợ khảo sát (Mạo Khê, Hà Lầm, Khe Chàm 1), độ thoát khí mêtan tuyệt đối ($m^3/\text{phút}$) tăng tỷ lệ thuận khi sản lượng than khai thác của lò chợ tăng. Ngược lại, độ thoát khí mêtan tương đối ($m^3/\text{tấn}$) có xu hướng giảm khi sản lượng khai thác của lò chợ tăng.

4. Luận án rút ra kết luận gì về sự phân bố độ thoát khí mêtan trong hệ thống khai thác chia lớp? Đối với hệ thống khai thác chia lớp, độ thoát khí mêtan tại lò chợ khai thác lớp vách lớn hơn so với độ thoát khí mêtan tại lò chợ khai thác lớp trụ trong cùng điều kiện vỉa.

5. Luận án đề xuất áp dụng giải pháp khoan tháo khí chủ động tại mỏ nào và sử dụng các tổ hợp thiết bị nào? Giải pháp khoan tháo khí mêtan chủ động được thiết kế áp dụng cho lò chợ I-11-5 mỏ than Khe Chàm 1, thi công các lỗ khoan từ lò thông gió đón vào vùng phá hỏa và vỉa than. Tổ hợp thiết bị được lựa chọn bao gồm các dòng máy khoan chuyên dụng WD-02EA, WD-02H, WDP-1C, WDP-2A, WDH-1 và máy bơm rửa loại WT-30-2PB, kết hợp cùng hai phương án dẫn xả khí lên mặt đất hoặc xả vào luồng gió thải của trạm quạt gió chính.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Văn Thịnh đã làm rõ chế độ chứa khí và thoát khí mêtan khi khai thác xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh thông qua số liệu khảo sát thực tế giai đoạn 2007 - 2015. Công trình đã xác lập mô hình hồi quy tuyến tính $y = 0,8651x + 0,00246$ ($R^2 = 0,9896$) để hiệu chỉnh phương pháp dự báo lý thuyết phù hợp với điều kiện than antraxit Việt Nam, đồng thời chứng minh các quy luật ảnh hưởng của độ sâu, sản lượng và công nghệ chia lớp đến độ thoát khí. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thành lập bản đồ phân vùng khí mỏ và thiết kế hệ thống khoan tháo khí chủ động nhằm bảo đảm an toàn cháy nổ trong khai thác than hầm lò.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘ THOÁT KHÍ MÊTAN TRONG CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ KHÍ MÊ TAN 1. Đặc điểm của khí mê tan tại các mỏ than hầm lò Tính chất hóa lý của khí mê tan Mêtan (CH ị) là loại Cacbuahyđrô bão hoà đơn giản nhất của nhóm paraíỉn. Là khí không mầu, không mùi, không vị.

Khối lượng riêng của nó trong điều kiện bình thường là 0,716 kg/ m 3 , nhẹ hơn nhiều lần so với không khí. Nó có thể hoà tan trong etanol, ete, hoà tan kém trong nước (đến 3,5% trong điều kiện bình thường). Mặc dù mê tan là khí không ảnh hưởng tới quá trình hô hấp nhưng hàm lượng đáng kể trong không khí sẽ gây nguy hiểm bởi vì khí mêtan đẩy khí ôxy (4,8% mêtan sẽ đẩy 1%ôxy). Mê tan là khí có khả năng cháy nổ.

Khi hàm lượng thể tích của mê tan nằm trong khoảng từ 5 - 15% và hàm lượng ôxy tối thiểu khoảng 8% hỗn hợp có khả năng nổ, hỗn hợp nổ mạnh nhất khi hàm lượng mê tan đạt 9,5%. Giới hạn nổ của khí mêtan không cố định và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vị trí cháy, cường độ gia nhiệt ban đầu. Theo chiều giảm áp suất, giới hạn nổ sẽ thu nhỏ lại. Theo chiều gia tăng nhiệt độ - giới hạn nổ sẽ mở rộng ra và ngược lại.

Phản ứng cháy của khí mêtan được biểu thị như sau: CH4+ 2O2 ^ CO2 + 2H2O + 55594 KJ trên 1kg CH4 (1.1) Nhiệt độ tối đa khi nổ trong buồng kín là 26 500 C, áp suất tối đa khi nổ là 650kPa (6,5at). Nguồn gốc hình thành khí mê tan tại các mỏ than Khí mêtan ở những vỉa than được tạo thành cùng thời gian và cùng các chất hữu cơ với than trong quá trình hình thành tạo than. Trong quá trình ôxy hóa từ thực vật, nhờ ôxy riêng của nó, sẽ tạo nên những sản phẩm khí sau: CH4 , CO 2 , hơi nước axit hữu cơ dưới dạng chất bốc. Người ta thấy rằng vi Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 6 sinh vật, vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong việc kích thích lên men thực vật.

Quá trình lên men thực vật sẽ giải phóng một lượng lớn mêtan và cacbonic, sự phân hủy xenlulô tiến hành như sau: 2C 6H 10O 5 = 5CH4 + 5CO 2 + 2C (1.3) Lượng khí mêtan tạo ra phụ thuộc vào thành phần của chất kích thích lên men và những điều kiện xảy ra quá trình lên men. Khí metan được tạo thành, nếu có điều kiện đi lên mặt đất thì nó sẽ mất đi. Ngược lại, ta có thể gặp mêtan ở mọi nơi mà ở đó đã xảy ra quá trình lên men thực vật khi không có điều kiện thoát ra ngoài khí quyển. Trong đất đá và khoáng sàng, mêtan sẽ tồn tại dưới hai dạng sau: dạng tự do và dạng không tự do.

- Dưới dạng tự do, mêtan sẽ chiếm tất cả những lỗ hổng trong lòng đất. Ianôscôi, lượng mêtan tự do chiếm tỷ lệ 5-22% tổng số hiện có ở dạng áp suất 50 barơ; 36% ở áp suất 100 barơ và 65% ở 800 barơ. - Dưới dạng không tự do, khí mêtan tồn tại theo ba kiểu sau: Hấp phụ: là liên kết các phân tử mêtan với bề mặt chất rắn dưới tác động của lực hút phân tử mà không có phản ứng hóa học. Hấp phụ xâm nhập : Xâm nhập phân tử mêtan vào chất rắn tạo ra “dung dịch rắn”, không có phản ứng hóa học.

Hoạt hóa: Liên kết hóa học nghịch một phần giữa các phân tử mêtan và chất rắn. Lượng khí mê tan tồn tại cơ bản trong khối than, đá ở dạng liên kết hấp phụ.