Nghiên Cứu Chế Độ Thoát Khí Metan Khi Khai Thác Than Hầm Lò Tại Quảng Ninh

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu chế độ thoát khí metan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng quảng ninh, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

• Tác giả: Nguyễn Văn Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Vũ Chí
• Trường học: Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
• Chuyên ngành: Khai Thác Mỏ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Độ Thoát Khí Metan Khi Khai Thác Xuống Sâu Trong Mỏ Than Hầm Lò Vùng Quảng Ninh
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sỹ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thoát Khí Metan Tại Mỏ Than QN

Nghiên cứu chế độ thoát khí metan trong khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh là vấn đề cấp thiết. Quyết định 403/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ nhấn mạnh việc tăng sản lượng than, đồng nghĩa với việc khai thác xuống sâu hơn. Điều này làm tăng lượng khí metan thoát ra, gây nguy cơ cháy nổ. Các nghiên cứu trước đây chưa đủ tổng thể và thiếu dự báo cho từng vùng. Việc xác định độ chứa khí metan và độ thoát khí metan là rất quan trọng để đảm bảo an toàn hầm lò và hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu này tập trung vào việc định lượng chế độ thoát khí để áp dụng các biện pháp phòng chống cháy nổ phù hợp. Cần đánh giá mức độ nguy hiểm của khí metan đối với từng mỏ than hoặc khu vực khai thác. "Nghiên cứu chế độ thoát khí metan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh" mang tính cấp thiết.

1.1. Đặc Điểm Chung Về Khí Metan Trong Mỏ Than

Khí metan (CH4) là hydrocacbon bão hòa đơn giản nhất, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí. Nó có thể gây nguy hiểm vì đẩy oxy. Hỗn hợp khí metan và không khí có khả năng nổ khi nồng độ khí metan từ 5-15% và oxy tối thiểu 8%. Giới hạn nổ phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ. Phản ứng cháy tạo ra CO2, H2O và nhiệt lượng lớn. Nhiệt độ tối đa khi nổ trong buồng kín là 2650°C, áp suất tối đa là 650kPa. Khí metan được tạo thành cùng thời gian và cùng các chất hữu cơ với than trong quá trình hình thành than.

1.2. Nguồn Gốc Hình Thành Khí Metan Trong Mỏ Than

Khí metan 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 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 metan và cacbonic. Lượng khí metan tạo ra phụ thuộc vào thành phần của chất kích thích lên men và những điều kiện xảy ra quá trình lên men.

II. Thách Thức An Toàn Do Thoát Khí Metan Tại Quảng Ninh

Khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh đối mặt với nhiều thách thức về an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ do thoát khí metan. Lịch sử đã chứng minh những vụ tai nạn nghiêm trọng do khí metan. Việc tăng sản lượng và khai thác xuống sâu làm gia tăng lượng khí metan thoát ra. Cần có các biện pháp giảm thiểu metan hiệu quả để bảo vệ tính mạng công nhân và tài sản. Nồng độ metan cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh vượt quá giới hạn cho phép. Các biện pháp thông gió hầm lò cần được cải thiện để đảm bảo an toàn. Các giải pháp công nghệ tiên tiến cần được áp dụng để quản lý khí metan hiệu quả.

2.1. Các Vụ Cháy Nổ Khí Metan Điển Hình Trên Thế Giới

Trong lịch sử khai thác than hầm lò trên Thế giới đã xảy ra nhiều vụ cháy nổ khí CH4 gây tử vong hàng chục, thậm chí đến hàng trăm người và phá huỷ cơ sở vật chất của các mỏ than. Do tính chất nguy hiểm của khí metan thoát ra trong các đường lò mỏ gây nguy cơ cháy nổ mà ngành khai thác than hầm lò trên Thế giới cũng như ở Việt Nam luôn đặt vấn đề phòng chống cháy nổ khí metan lên hàng đầu, trong đó có việc nghiên cứu độ thoát khí metan và độ chứa khí metan trong các vỉa than là nguồn gốc gây thoát khí metan ra các đường lò mỏ.

2.2. Các Vụ Cháy Nổ Khí Metan Điển Hình Ở Việt Nam

Ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu về độ chứa khí và thoát khí metan đã được thực hiện từ nhiều năm nay nhưng chủ yếu tập trung và các mỏ có độ thoát khí cao, chưa mang tính chất tổng thể và chưa đưa ra dự báo khi khai thác xuống sâu cho mỗi vùng khoáng sàng hay từng mỏ than hầm lò để có biện pháp ngăn ngừa tích tụ khí quá giới hạn cho phép hữu hiệu.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Chế Độ Thoát Khí Metan Hiệu Quả

Để đánh giá mức độ nguy hiểm của khí metan, cần xác định chế độ thoát khí metan của mỏ hoặc khu vực khai thác. Nghiên cứu cần tập trung vào xác định độ chứa khí metan trong vỉa than và độ thoát khí metan ra các đường lò mỏ. Cần áp dụng phương pháp khai thác và phương tiện phòng chống cháy nổ khí metan phù hợp. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm khảo sát, tổng hợp tài liệu, phân tích thống kê, và nội suy tuyến tính. Cần xây dựng các hàm hồi quy để dự báo độ chứa khí và thoát khí metan.

3.1. Khảo Sát Tổng Hợp Tài Liệu Về Thoát Khí Metan

Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau: Phương pháp khảo sát, tổng hợp, kế thừa các tài liệu; Phương pháp phân tích, thống kê và phương pháp đồ thị; Phương pháp nội suy tuyến tính và phi tuyến tính. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài.

3.2. Xây Dựng Hàm Hồi Quy Dự Báo Thoát Khí Metan

Xây dựng các hàm hồi quy theo phương pháp bình phương nhỏ nhất để dự báo độ chứa khí và thoát khí metan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh; Dự báo được quá trình thoát khí metan vào các khu vực khai thác trên cơ sở xác định được độ thoát khí metan ở mức khai thác trên bà dự báo độ thoát khí metan cho mức khai thác tiếp theo.

IV. Ứng Dụng Giải Pháp Phòng Ngừa Cháy Nổ Khí Metan QN

Kết quả nghiên cứu góp phần xác định, dự báo độ thoát khí metan và khu vực khai thác tại các vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu. Điều này giúp có biện pháp phòng ngừa cháy nổ khí metan phù hợp. Cần thành lập bản đồ phân vùng khí metan theo phạm vi và chiều sâu của các mỏ. Các giải pháp cần tập trung vào thông gió hầm lò, giảm thiểu metan, và quản lý khí metan hiệu quả. Cần áp dụng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt và quy trình khai thác an toàn.

4.1. Đề Xuất Giải Pháp Phòng Ngừa Nguy Cơ Cháy Nổ

Đề xuất các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí metan phù hợp khi tiến hành khai thác tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Càng khai thác xuống sâu thì độ chứa khí và độ thoát khí metan càng tăng; Cùng một điều kiện địa chất, độ thoát khí metan phụ thuộc vào độ chứa khí metan trong vỉa và sản lượng khai thác.

4.2. Áp Dụng Công Nghệ Giảm Thiểu Phát Thải Khí Metan

Đối với hệ thống khai khai thác chia lớp, độ thoát khí metan ở lò chợ lớp vách lớn hơn ở lò chợ lớp trụ. Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại trường Đại học Mỏ- Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Vũ Chí- Trường Đại học Mỏ- Địa chất và TS Lê Văn Thao- Hội Khoa học và công nghệ mỏ Việt Nam.

V. Đánh Giá Độ Chứa Khí Metan Tại Các Mỏ Than Hầm Lò QN

Nghiên cứu đặc điểm độ chứa khí metan khi khai thác xuống sâu trong các vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Cần xác định độ chứa khí metan trong các vỉa than. Nghiên cứu quy luật phân bố độ chứa khí metan trong vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Cần đánh giá sự biến thiên độ chứa khí metan trong vỉa than của các mỏ than.

5.1. Đặc Điểm Chung Về Độ Chứa Khí Metan Trong Vỉa Than

Đặc điểm chung về độ chứa khí metan trong các vỉa than. Đặc điểm địa chất vùng than Quảng Ninh. Kết quả xác định độ chứa khí metan trong vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

5.2. Quy Luật Phân Bố Độ Chứa Khí Metan Trong Vỉa Than

Nghiên cứu quy luật phân bố độ chứa khí metan trong vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Biến thiên độ chứa khí metan trong vỉa than của mỏ than Mạo Khê. Biến thiên độ chứa khí metan trong vỉa than của mỏ than Hà Lầm. Biến thiên độ chứa khí metan trong vỉa than mỏ than Khe Chàm.

VI. Dự Báo Thoát Khí Metan Khi Khai Thác Than Hầm Lò QN

Nghiên cứu độ thoát khí metan khi khai thác xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Dự báo độ thoát khí metan ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu. Cần đánh giá mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí metan. Cần đánh giá mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí metan.

6.1. Nghiên Cứu Độ Thoát Khí Metan Tại Các Mỏ Than

Nghiên cứu độ thoát khí metan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Độ chứa khí metan lò chợ. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ. Tổng hợp chế độ khí metan của các lò chợ lựa chọn khảo sát tại mỏ than Mạo Khê.

6.2. Dự Báo Độ Thoát Khí Metan Khi Khai Thác Sâu

Dự báo độ thoát khí metan ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí metan tuyệt đối mỏ than Mạo Khê. Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí metan tuyệt đối mỏ than Mạo Khê.

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 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. Các điều kiện gây nổ của khí mêtan Hỗn hợp mêtan-không khí chỉ có thể nổ khi có sự tham gia đồng thời của các yếu tố sau: 1: Hàm lượng mêtan, 2: Hàm lượng ôxy trong không khí, 3: Nhiệt độ gây nổ, 4: Thời gian gây nổ Hàm lượng mêtan và ôxy Nếu hàm lượng mê tan dưới 5% thì mê tan sẽ cháy khi tiếp xúc với nguồn nhiệt, trong khoảng từ 5 -16% thì xảy ra hiện tượng nổ, trên 16% cháy 7 tại bề mặt tiếp xúc với không khí. Khoảng giới hạn gây nổ của khí metan được gọi làm giới hạn nổ trên 16% và ở dưới 5%.

Hỗn hợp nổ mạnh nhất khi hàm lượng mê tan đạt 9,5%. 1- Vùng không tạo được hôn hợp nổ 2- Vùng hỗn hợp nổ 3- Vùng hôn hợp có thể nổ nếu có thêm không khí Hình 1. Hôn hợp nổ của mê tan với không khí Giới hạn nổ của khí mê tan không cố định và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vị trí cháy, cừơng 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. Sự phụ thuộc của giới hạn nổ vào áp suất ban đầu được thể hiện trên hình 1. Giới hạn nổ phụ thuộc vào áp suất ban đầu 1. Nhiệt độ gây nổ Nhiệt độ gây nổ của hỗn hợp mêtan- không khí thay đổi phụ thuộc vào hàm lượng khí mêtan trong không khí.

Nhiệt độ gây nổ thấp nhất với hàm lượng khí khoảng 7,6 %. Sự phụ thuộc của nhiệt độ gây nổ vào hàm lượng khí mê tan trong hỗn hợp không khí và được giới thiệu trong bảng 1. Quan hệ về nhiệt độ và hàm lượng khí mê tan trong không khí dân đến cháy nổ CH4 , % 2 3,4 6,5 7,6 8,1 9,5 11 14 T 0 gây nổ 810 665 512 510 514 525 539 565 1. Thời gian ủ nhiệt dẫn đến cháy nổ khí mê tan Thời gian ủ nhiệt dẫn đến cháy nổ khí mê tan của khí mê tan là một tính chất đặc trưng.

Sự cháy, nổ không xảy ra ngay sau khi hỗn hợp khí tiếp xúc với nguồn nhiệt, mà xảy ra sau một thời gian nhất định. Thời gian này giảm đi nhiều khi nhiệt độ lên cao và tăng không đáng kể khi hàm lượng mê tan trong không khí tăng lên. Thời gian trễ khi cháy nổ khí mêtan được giới thiệu trong bảng 1. Thời gian ủ nhiệt của khỉ mê tan trong mối tương quan với hàm lượng khỉ và nhiệt độ nguồn lửa T°C 775 875 975 ch 4,% 6 1,08s 0,35s 0,12s 7 1,15s 0,36s 0,13s 8 1,25s 0,37s 0,14s 9 1,30s 0,39s 0,14s 1° 1,40s 0,41s 0,15s 12 1,64s 0 ,4 4 s 0,16s Ghi chú: s là thời gian tỉnh bằng giây Dựa vào thời gian ủ nhiệt của khí mê tan người ta chế tạo các loại thuốc nổ an toàn mà thời gian làm mát của các sản phẩm nổ ngắn hơn thời gian trễ khi nổ của mê tan trên cơ sở làm trễ thời gian này bằng các phụ gia trộn vào thuốc nổ.

Hậu quả của vụ nổ khí mê tan 1. Hiện tượng nổ mêtan Nổ khí mêtan có thể nổ dây chuyền, nghĩa là nổ đi, nổ lại nhiều lần. Hiện tượng này được giải thích như sau: khi nổ mêtan, các chất khí dãn nở rất lớn, làm cho nhiệt độ và áp suất xung quanh tâm nổ tăng lên nhanh chóng, tạo ra áp suất âm giữa tâm nổ do sự chênh lệch áp suất khí giữa đất đá xung quanh, khí metan dồn về tâm nổ. Mêtan là một chất khí linh động, nên dồn về tâm nổ, trên đường đi gặp nhiệt độ từ đợt nổ trước được gió đưa đến sẽ gây nổ lặp.

Với điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, mêtan lại gây nổ lần thứ hai. Hiện tượng nổ như vậy cứ diễn ra cho đến khi hết mêtan, hoặc hàm lượng oxy ở vùng giảm xuống không để gây nổ. Khi nổ mêtan sẽ sinh ra làn sóng nổ. Tốc độ lan truyền của sóng nổ, dọc theo đường lò, lúc đầu tăng theo sự tăng của hàm lượng mêtan trên 5.6%, nhưng sau đó giảm đến bằng không.

Tốc độ lan truyền này càng lớn nếu như trước khi nỏ, mêtan ở trạng thái di động. Trong quá trình lan truyền 10 của sóng nổ, dọc theo đường lò, nếu gặp phải các vật cản ở đường lò thì tốc độ làn truyền của sóng nổ càng tăng từ vài chúc mét đến hàng trăn mét trong một giây. Hậu quả nổ khí mêtan Khi nổ khí mêtan, ở trên nổ xảy ra hàng loạt quá trình biến đổi lý hóa. Nổ mêtan không có gì khác so với bất kỳ hiện tượng nổ khí nào, vì trong một thời gian hết sức ngắn, do sự cháy thể tích khí ban đầu biến thành một thể tích rất lớn các khí khác.

Trong thời gian nổ, nhiệt độ không khí tăng lên rất cao, do phản ứng hóa học giữa mêtan và oxy. Nhiều công trình nghiên cứu đã cho thấy, khí mêtan nổ trong một môi trường kín, nhiệt độ có thể tới 26500C. Trong thực tế mỏ, nhiết độ không vượt quá 18500C. Với nhiệt độ này, mọi vật thể đều có thể bị cháy thành tro bụi.

Ngoài ra nhiệt độ trên còn gây ra cháy làm tăng thêm hậu quả của vụ nổ. Một hậu quả khác của nổ mêtan là hậu quả cơ học. Do tác dụng này mà các toa tầu có thể bị lật đổ, đường tàu bị bẻ gãy, các thiết bị máy móc bị phá hủy, đường ống gió cục bộ, ống dẫn khí nén, máng cào cũng bị phá hủy, ngoài ra còn phá hủy khung chống lò hoặc phá sập đường lò. Hậu quả lớn nhất của nổ khí mêtan cũng như nổ bụi than là hậu quả hóa học.

Vì nổ khí mêtan sẽ ta ra một lượng lớn khí CO và với lượng khí này được gió đưa đến các đường lò và các hộ tiêu thụ gió gây tử vong cho người lao động do nhiễm khí độc. Mặt khác, khi nổ mêtan, do sự giãn nở của không khí mà bụi than đã lắng đọng ở nền lò hoặc trên các khung chống, bị tung lên hòa lẫn với không khí, có thể đạt đến hàm lượng nổ. Và khi ngọn lửa cháy mêtan đốt cháy hỗn hợp bụi than này thì cường độ của vụ nổ sẽ tăng lên, đồng thời làm tăng hàm lượng khí độc. Qua các tài liệu thống kê về các tác hại của các vụ nổ khí mêtan và bụi mỏ, người ta thấy răng: khoảng 8-10% số người chết do tác dụng cơ học khoảng, 25% bị chết do tác dụng nhiệt, còn khoảng 65% bị chết do tác dụng hóa học.4 giới thiệu một số vụ nổ khí mêtan điển hình ở các mỏ hầm lò trên thế giới và ở các mỏ than hầm lò ở Việt Nam.