Tổng quan luận án

Công tác khai thác than hầm lò tại vùng than Quảng Ninh có xu hướng gia tăng sản lượng và mở rộng khai thác xuống các tầng sâu. Quá trình khai thác xuống sâu gia tăng nguy cơ mất an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí Mêtan. Trong giai đoạn 1998–2008, các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh đã xảy ra 11 vụ tai nạn lao động do khí Mêtan, làm 41 người tử vong (chiếm 22,9% tổng số người chết vì tai nạn trong hầm lò). Một số sự cố cháy nổ điển hình bao gồm: vụ nổ khí tại Công ty than Mạo Khê năm 1999 làm thiệt mạng 19 người; hai vụ nổ tại Xí nghiệp than Khe Chàm II và Xí nghiệp than 909 năm 2002 làm chết 13 người; vụ nổ tại Công ty than Thống Nhất năm 2006 làm chết 8 người; và vụ nổ tại Công ty than Khe Chàm năm 2008 làm chết 11 người.

Theo Quyết định số 1338/QĐ-BCT ngày 17/03/2009 của Bộ Công Thương về xếp loại mỏ theo khí Mêtan, mỏ than Mạo Khê được xếp loại mỏ siêu hạng với độ xuất khí Mêtan tương đối là 15,58 m³/T. Để giải tỏa áp lực khí, mỏ đã thử nghiệm các lỗ khoan tháo khí trong than và đá vách. Tuy nhiên, các lỗ khoan ngang dài thực tế cho năng suất thấp và không đạt chiều dài thiết kế. Nguyên nhân xuất phát từ việc chưa lựa chọn được phương pháp khoan và chế độ công nghệ khoan ngang phù hợp với điều kiện địa chất - khai thác của mỏ. Do đó, việc nghiên cứu xác định phương pháp và công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mêtan tại mỏ Mạo Khê là yêu cầu cấp thiết của sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lựa chọn phương pháp và công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan tháo khí Mêtan ở mỏ than Mạo Khê nhằm bảo đảm an toàn trong khai thác than hầm lò.

Các luận điểm bảo vệ (tương ứng với các giả thuyết nghiên cứu) được tác giả xác định gồm:

  1. Luận điểm bảo vệ 1: Áp dụng phương pháp khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê là hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác mỏ và nhu cầu tháo khí hiện tại của mỏ.
  2. Luận điểm bảo vệ 2: Khoan ngang bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 giúp tốc độ cơ học trung bình tăng từ 1,45 lần đến 1,7 lần và năng lượng chi phí cho phá hủy đá giảm từ 70% đến 51% so với phương pháp khoan xoay trong cùng một điều kiện đá, cùng loại thiết bị và chế độ khoan nhưng không sử dụng năng lượng đập.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác ở mỏ than Mạo Khê.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đặc điểm công nghệ khoan ngang và công nghệ khoan xoay - đập trong điều kiện địa chất mỏ Mạo Khê; khảo sát mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ cơ học khoan (tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần, tần số đập của cơ cấu đập) và chi phí năng lượng cho quá trình phá hủy đá trong khoan xoay - đập.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án điểm lại các công trình nghiên cứu về thu hồi và tháo khí Mêtan trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Nghiên cứu của Trường Đại học Mỏ Quốc gia Xankt-Peterburg (Nga) khảo sát trữ lượng khí Mêtan trong các mỏ than của 40 quốc gia, ước tính trữ lượng từ 115 đến 350 nghìn tỷ m³ (trong đó Nga chiếm 51–52 nghìn tỷ m³, Trung Quốc 30–37 nghìn tỷ m³, Mỹ 19–22 nghìn tỷ m³, Canada 10–12 nghìn tỷ m³, Úc 8–14 nghìn tỷ m³).
  • Báo cáo của các tổ chức nghiên cứu khí mỏ tại Mỹ và Giơnevơ ghi nhận các vụ tai nạn nổ khí nghiêm trọng giai đoạn 2005–2007: mỏ Xunzanvanh (Trung Quốc, 2005, 214 người chết), mỏ Lênin (Kazakhstan, 2006, 43 người chết), mỏ Cago (Mỹ, 2006, 12 người chết), mỏ Ulianovk (Nga, 2007, 108 người chết), mỏ Zaxiat'co (Ukraine, 2007, 80 người chết).
  • Các phương pháp khoan tháo khí trên thế giới được chia thành: khoan từ mặt đất (sử dụng các giàn khoan GY-600, XY-42, LF-70, LF-90C, LF-90D, URB-3AM, 1BA-15B kết hợp nứt vỉa thủy lực thu hồi 50–90% khí) và khoan trong hầm lò (được áp dụng từ năm 1943 tại mỏ Pure - Đức và năm 1952 tại Nga).
  • Tại Nhật Bản, mỏ Taiheiyo áp dụng khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn trong đá vách với chiều dài lỗ khoan 500–700 m, đường kính 76 mm. Tại Úc, các lỗ khoan ngang dài 600 m qua đá vách và các lỗ khoan dài đến 1500 m dọc vỉa than được thực hiện kết hợp thiết bị định hướng Directional Drill Monitor và hệ thống dẫn hướng khoan Drill Guidance System (DGS). Các công trình của Alpern, Dumpleton, Beamish và Crosdale đã phân tích mối quan hệ giữa độ thẩm thấu vỉa than và ứng suất địa tầng với nguy cơ phụt khí.
  • Tại Việt Nam, Liên đoàn Địa chất 9 khảo sát thành phần khí than trước năm 1985; Trung tâm An toàn mỏ được thành lập năm 2002; các quy hoạch tổng thể năm 2003 dự báo trữ lượng khí tại 7 khu vực hầm lò vùng Quảng Ninh đến mức -400 m đạt khoảng 4,68 tỷ m³ (tương đương 3,35 triệu tấn khí). Tại Mạo Khê, năm 2003 đã thử nghiệm máy HR-1500 khoan 3 lỗ ngang dài 65–70 m tại vỉa 9Đ mức -80; năm 2004 khoan lỗ xiên 107 m góc 47° tại vỉa 9T mức -80. Năm 2011, mỏ Khe Chàm thử nghiệm cụm 12 lỗ khoan xiên lên dài 80 m bằng máy WDP-1C (Ba Lan), thu hồi 2,8 m³/ph hỗn hợp khí chứa 46% Mêtan.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các thử nghiệm khoan tháo khí trước đây tại Việt Nam chủ yếu mang tính giải quyết tình huống tạm thời, chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện việc áp dụng công nghệ khoan ngang dài trong hầm lò. Phương pháp khoan xoay truyền thống bộc lộ nhược điểm lớn về suy giảm tải trọng trục, sai lệch quỹ đạo và kẹt cần khi khoan dài trong điều kiện địa chất biến động, dẫn đến không đạt chiều dài thiết kế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng trong luận án:

  • Định luật Darcy về sự vận động và thẩm thấu của chất khí trong môi trường rỗng vỉa than:

$$K = \frac{2 Q_0 \mu L P_0}{A(P_1^2 - P_2^2)}$$

Trong đó: $K$ là hệ số thẩm thấu ($m^2$), $Q_0$ là lưu lượng khí ($m^3/s$), $\mu$ là độ nhớt động học ($Pa.s$), $L$ là chiều dài mẫu ($m$), $P_0$ là áp suất khí quyển ($Pa$), $A$ là tiết diện ($m^2$), $P_1$ và $P_2$ lần lượt là áp suất đầu vào và đầu ra ($Pa$).

  • Mối quan hệ giữa độ mở khe nứt $b$ và độ thẩm thấu $K$ của vỉa than:

$$b = 4,92 \sqrt{K}$$

  • Cơ chế phá hủy đá dưới tác dụng đồng thời của tải trọng tĩnh chiều trục ($P_0$) và xung lực đập tần số cao ($n_đ$, công suất xung đập $P_đ$), giúp tập trung ứng suất phá vỡ liên kết tinh thể của đá cứng và đá nứt nẻ.
  • Cơ học cột cần khoan ngang: Mô hình phân tích tổn thất tải trọng chiều trục truyền đến đáy do ma sát tiếp xúc giữa cột cần với thành dưới lỗ khoan dưới tác dụng của trọng lượng bản thân ($q$), hiện tượng uốn dọc và mất ổn định hình học trong không gian nằm ngang.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích tài liệu và thống kê: Tổng hợp tài liệu địa chất, cấu trúc vỉa, hiện trạng nứt nẻ và dữ liệu khí mỏ Mạo Khê.
  • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Triển khai thử nghiệm khoan thực tế bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W kết hợp bộ ống mẫu luồn PS-89 và máy bơm rửa MG-15 trực tiếp tại vỉa 9Đ cánh Đông mức -80 mỏ Mạo Khê.
  • Phương pháp toán học xác suất thống kê: Xử lý số liệu đo đạc thực nghiệm về tốc độ cơ học khoan ($V_m$) và chi phí năng lượng riêng phá hủy đá ($E$) tương ứng với các tổ hợp thông số công nghệ ($P_0, n, Q, n_đ$).

Nguồn tư liệu và dữ liệu: Các báo cáo thăm dò địa chất của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV); hồ sơ khai thác thực tế của Công ty than Mạo Khê, Khe Chàm, Mông Dương; các số liệu quan trắc khí của Trung tâm Quản lý khí mỏ than Việt Nam - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (Vimsat).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về công nghệ khoan tháo khí ở các mỏ than khai thác hầm lò trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa nhu cầu thu hồi khí Mêtan nhằm giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và khai thác nguồn năng lượng sạch. Nội dung chương phân tích hai nhóm công nghệ chính trên thế giới: khoan từ mặt đất và khoan trong hầm lò. Phương pháp khoan từ mặt đất phù hợp với các vỉa than nông hoặc khu vực phá hỏa đánh sập, nhưng có chi phí cao và khó áp dụng cho vỉa sâu có độ thẩm thấu thấp. Phương pháp khoan trong hầm lò bao gồm khoan xiên lên, khoan xiên xuống và khoan ngang. Khoan ngang được xác định là phương thức tiếp cận trực tiếp vào các vỉa chuẩn bị khai thác với chiều dài từ 300 m đến 500 m.

Tại Việt Nam, các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có độ chứa khí gia tăng theo chiều sâu. Việc thử nghiệm khoan tháo khí trước đây bằng máy khoan xoay nhẹ như PPn-2, HR-1500, XJ-100, ZIF-300 hay máy xoay - đập RPD-75SL bộc lộ hạn chế khi khoan lỗ ngang dài do thiết bị chưa đồng bộ, thiếu phương tiện kiểm soát quỹ đạo và chưa tối ưu hóa chế độ khoan trong đá vách.

Chương 2. Nghiên cứu các đặc điểm địa chất, hiện trạng khai thác ảnh hưởng tới công tác khoan và tình trạng khí Mêtan ở mỏ than Mạo Khê

Chương 2 tập trung khảo sát cấu trúc địa tầng, kiến tạo, cơ lý đất đá và đặc điểm khí tại mỏ than Mạo Khê. Về địa tầng, khu mỏ chia làm hai khối:

  • Khối Bắc: Chứa 55 vỉa than (40 vỉa trữ lượng công nghiệp), phân bổ thành ba tập: tập dưới $T_3^{n-r} hg_{12}$ (22 vỉa), tập giữa $T_3^{n-r} hg_{22}$ (23 vỉa) và tập trên $T_3^{n-r} hg_{23}$ (10 vỉa). Góc dốc vỉa thoải từ 20° đến 25°. Thành phần đá gồm sạn và cuội kết chiếm 40%, cát kết chiếm 30%, bột kết chiếm 20%, sét kết 5%, than 5%.
  • Khối Nam: Chứa 41 vỉa than (39 vỉa công nghiệp), góc dốc lớn từ 45° đến 60°, cục bộ đạt 70°–80°. Thành phần đá gồm cát kết chiếm 46%, bột kết 30%, sét kết 10%, cuội sạn kết 3,5%, sét than và than 10%.
  • Cấu trúc kiến tạo gồm 18 đứt gãy làm đất đá bị vò nhàu, nứt nẻ mạnh. Mức độ phong hóa nứt nẻ giảm dần từ mặt đất xuống sâu theo 4 cấp (rất mạnh ở 1–5 m với hệ số nứt nẻ 1–4%; mạnh ở 5–100 m; yếu ở 100–200 m; rất yếu ở 200–400 m với hệ số nứt nẻ 0,15–0,04%).
Loại đất đá Độ bền nén (MPa) Độ bền kéo (MPa) Khối lượng riêng (g/cm³) Mođun đàn hồi $E \cdot 10^5$ (MPa) Hệ số Poisson Góc ma sát trong (độ)
Sét kết xám đen mềm 10 < 2 2,25–2,55 - - 13–20
Sét than phân lớp mỏng 12–20 1,5–3,0 2,42–2,51 - - 15–22
Sét kết xám đen 15–35 2–5 2,23–2,58 0,01–0,09 0,02–0,09 25–33
Bột kết kẹp chỉ than 20–60 2,7–7,0 2,45–2,60 0,05–0,10 0,15–0,09 21–30
Bột kết phân lớp mỏng 27–73 5–8 2,51–2,62 0,07–0,12 0,10–0,26 25–33
Bột kết phân lớp dày 42–90 5–9 2,53–2,67 0,08–0,13 0,08–0,22 31–35
Cát kết hạt mịn 103–238 7,7–12,4 2,55–2,67 0,12–0,19 0,07–0,18 33–36
Cát kết hạt trung 100–172 8,2–15,8 2,54–2,62 0,13–0,27 0,07–0,18 33–36
Cát kết hạt thô 105–126 8–11 2,53–2,66 0,02–0,13 0,02–0,13 31–39
Cuội - sạn kết 115–156 5,5–12,6 - - - -

Về đặc điểm vỉa than và khí: Than Mạo Khê thuộc loại antraxit biến chất cao, cấp độ khoan III–V, độ cứng $f > 2$, dung trọng 1,55–1,70 g/cm³, hàm lượng Cacbon đạt 91–94%, Hydro 2–3%, chất bốc $V^{ch} = 3,0%$, nhiệt lượng 5000–7600 kCal/kg. Bề mặt than xuất hiện nhiều khe nứt rộng 1–5 mm, hốc nứt 10–15 mm. Độ thẩm thấu khí của than dao động từ 0,01088 đến 0,1801 mD. Khoảng 80–90% khí Mêtan tồn tại ở dạng tự do trong các khe nứt, lỗ hổng; phần còn lại hấp phụ trong cấu trúc than. Trữ lượng khí từ mức +100 m đến 0 m đạt 1.081.543 nghìn m³, tổng trữ lượng khảo sát đạt 1.821.093 nghìn m³. Kế hoạch khai thác mỏ đến năm 2015 đạt 2,5 triệu tấn than/năm và phát triển chiều sâu xuống các mức -180 m và -210 m.

Chương 3. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan ở mỏ than Mạo Khê

Chương 3 đi sâu giải quyết các vấn đề cơ học trong thi công lỗ khoan ngang:

  • Tổn thất tải trọng chiều trục: Khi chiều dài lỗ khoan ngang tăng, trọng lượng cột cần khoan ($q$) tì đè lên thành dưới lỗ khoan, làm gia tăng ma sát trượt và cản trở truyền lực ép xuống đáy.
  • Hiện tượng cong xiên lỗ khoan: Xảy ra do sự lệch tâm của bộ dụng cụ khoan, hiện tượng uốn cong cột cần dưới tác dụng của lực nén, và sự thay đổi hướng khoan khi mũi khoan đi qua ranh giới giữa các lớp đá có độ cứng khác nhau hoặc giữa đá vách và vỉa than.
  • Các phức tạp khác: Thành trên lỗ khoan dễ bị sụt lở do đá nứt nẻ, hiện tượng tạo rãnh phụ do cột cần khoan miết vào thành dưới, dẫn đến kẹt bộ dụng cụ khoan.

Để khắc phục các trở ngại trên, tác giả luận chứng việc chuyển đổi từ khoan xoay thông thường sang phương pháp khoan xoay - đập kết hợp bộ ống mẫu luồn PS-89. Cơ cấu đập bổ sung xung lực cơ học giúp phá vỡ đá cứng hiệu quả hơn mà không đòi hỏi gia tăng tải trọng tĩnh $P_0$, hạn chế hiện tượng uốn dọc cần khoan. Bộ ống mẫu luồn PS-89 với độ cứng vững cao giúp định hướng thẳng, giảm ma sát thành lỗ, đồng thời duy trì tuần hoàn dung dịch rửa để làm sạch mùn khoan và ổn định thành lỗ.

Chương 4. Kết quả thử nghiệm phương pháp khoan xoay - đập để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ than Mạo Khê

Chương 4 trình bày toàn bộ kết quả thử nghiệm thực tế tại hiện trường mỏ Mạo Khê:

  • Thiết bị thử nghiệm: Máy khoan xoay - đập thủy lực RPD-130SL-F2W, máy bơm nước rửa MG-15 và bộ ống mẫu luồn PS-89 (đường kính 89 mm).
  • Khảo sát thực nghiệm trên hai nhóm đá đặc trưng:
    1. Đá bột kết cấp VII–VIII (độ cứng $P_s = 2000–3000$ MPa): Thử nghiệm ở các mức tải trọng trục $P_0 = 6000–7000$ N, tốc độ quay $n = 80–200$ v/ph, lưu lượng nước rửa $Q = 50–60$ l/ph, tần số đập $n_đ = 800, 1000, 1200$ lần/ph.
    2. Đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX–X (độ cứng $P_s = 5000–7000$ MPa): Thử nghiệm ở tải trọng trục $P_0 = 9000–13000$ N, tốc độ quay $n = 80–200$ v/ph, lưu lượng nước rửa $Q = 45–50$ l/ph, tần số đập $n_đ = 800, 1000, 1200$ lần/ph.
Loại đất đá Độ cứng $P_s$ (MPa) Tải trọng trục $P_0$ (N) Tốc độ quay $n$ (v/ph) Tần số đập $n_đ$ (lần/ph) Lưu lượng nước $Q$ (l/ph)
Bột kết cấp VII–VIII 2000–3000 6000–7000 80–120 1000–1200 50–60
Cát kết cấp IX–X 5000–7000 9000–11000 100–140 1000–1200 45–50

Kết quả so sánh giữa phương pháp khoan xoay và phương pháp khoan xoay - đập:

  • Về tốc độ cơ học khoan ($V_m$): Khi sử dụng năng lượng đập ($n_đ = 1000–1200$ lần/ph), tốc độ cơ học tăng từ 1,45 lần đến 1,7 lần so với chế độ khoan xoay thuần túy trong cùng điều kiện đá và tải trọng.
  • Về tiêu hao năng lượng phá hủy đá ($E$): Năng lượng tiêu hao riêng cho quá trình phá vỡ đất đá giảm từ 51% đến 70% so với khoan xoay thông thường.
  • Kết quả tháo khí thực tế tại vỉa 9Đ cánh Đông mức -80: Các lỗ khoan ngang thi công bằng bộ thiết bị thử nghiệm đạt chiều dài thiết kế xuyên qua đá vách vào vỉa than. Hàm lượng khí Mêtan tại luồng gió thải lò chợ sau khi đưa các lỗ khoan vào tháo khí giảm xuống rõ rệt, duy trì nồng độ an toàn cho công tác khấu than.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:

  • Thiết lập cơ sở khoa học cho việc lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan trong hầm lò mỏ than, làm sáng tỏ cơ chế phá hủy đất đá của phương pháp khoan xoay - đập phối hợp với bộ dụng cụ ống mẫu luồn PS-89 trong điều kiện địa chất xen kẹp phức tạp (cát kết, bột kết, sét than).
  • Xác lập mối quan hệ định lượng giữa các thông số chế độ công nghệ khoan ngang (tải trọng chiều trục $P_0$, tốc độ quay cột cần $n$, lưu lượng nước rửa $Q$, tần số đập $n_đ$) với tốc độ cơ học khoan ($V_m$) và chi phí năng lượng phá hủy đá ($E$) trong các lớp đá vách mỏ Mạo Khê.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Đề xuất và áp dụng thành công tổ hợp thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W cùng bộ ống mẫu luồn PS-89 để thay thế phương pháp khoan xoay truyền thống trong thi công các lỗ khoan ngang tháo khí tại mỏ than Mạo Khê.
  • Xác định bộ thông số chế độ khoan ngang hợp lý cho từng loại đất đá (bột kết cấp VII–VIII và cát kết cấp IX–X), giúp tăng tốc độ cơ học khoan từ 1,45 đến 1,7 lần và tiết kiệm năng lượng phá hủy đá từ 51% đến 70%.
  • Giải quyết trở ngại kỹ thuật về suy giảm tải trọng trục và cong lệch lỗ khoan ngang, bảo đảm lỗ khoan đạt chiều dài thiết kế phục vụ tháo khí Mêtan tại vỉa 9Đ mức -80.

Kiến nghị kỹ thuật:

  • Áp dụng rộng rãi bộ thông số chế độ khoan xoay - đập đã được kiểm chứng cho các khu vực khai thác khác tại mỏ Mạo Khê và các mỏ hầm lò có điều kiện tương tự vùng Quảng Ninh.
  • Trang bị thêm các thiết bị giám sát góc nghiêng và phương vị trong quá trình khoan để kiểm soát quỹ đạo lỗ khoan ngang dài trên 300 m.
  • Tiếp tục hoàn thiện kết cấu ống lọc thu khí và quy trình trám xi măng miệng lỗ khoan để bảo đảm thu hồi khí an toàn, lâu dài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Thử nghiệm công nghệ thực địa mới chỉ được tập trung tại một số diện khai thác cụ thể (khu vực vỉa 9Đ cánh Đông mức -80) trên hai nhóm đá chính là bột kết cấp VII–VIII và cát kết cấp IX–X; chưa khảo sát thực tế trên toàn bộ 55 vỉa than của khối Bắc và 41 vỉa than của khối Nam.
  • Các điều kiện vỉa than có góc dốc rất lớn (70°–80°) ở cánh Nam hoặc các tầng khai thác sâu hơn mức -150 m chưa được kiểm chứng đầy đủ bằng thực nghiệm hiện trường.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu mở rộng công nghệ khoan xoay - đập cho các lỗ khoan ngang có chiều dài lớn hơn (từ 300 m đến 500 m) qua nhiều lớp địa tầng biến động.
  • Ứng dụng các hệ thống dẫn hướng tự động (như DGS) kết hợp đầu đo định hướng trong hầm lò nhằm kiểm soát chính xác quỹ đạo lỗ khoan ngang.
  • Thử nghiệm các hệ dung dịch khoan chuyên dụng nhằm hạn chế hiện tượng phình co, sập lở khi khoan qua các vỉa sét than và đới đứt gãy kiến tạo phức tạp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Đơn vị quản lý và kỹ sư khai thác mỏ: Cung cấp trực tiếp bộ thông số chế độ khoan ngang hợp lý cho thiết bị RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89, hỗ trợ kỹ sư lập hộ chiếu khoan tháo khí tại các mỏ than hầm lò thuộc TKV.
  • Chuyên viên an toàn và thông gió mỏ: Cung cấp phương pháp tính toán trữ lượng khí, phân tích áp suất và độ thoát khí theo định luật Darcy, hỗ trợ xây dựng phương án kiểm soát khí mỏ siêu hạng.
  • Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Dầu khí, Khoan - Khai thác mỏ: Tham khảo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cơ học đá, cơ chế tổn thất tải trọng chiều trục trong giếng khoan ngang và mô hình phá hủy đá xoay - đập.

Các nội dung đáng tham khảo nhất trong luận án gồm: bảng tổng hợp tính chất cơ lý đá mỏ Mạo Khê (Bảng 2.2), phân tích cơ chế cong lệch và lực tác dụng lên thành lỗ khoan ngang (Chương 3), cùng bảng thông số chế độ khoan hợp lý (Bảng 4.20).

Câu hỏi thường gặp

  1. Độ xuất khí Mêtan tương đối tại mỏ than Mạo Khê là bao nhiêu và mỏ được xếp cấp nguy hiểm nào?
  • Theo Quyết định số 1338/QĐ-BCT ngày 17/03/2009 của Bộ Công Thương, mỏ than Mạo Khê được xếp loại mỏ siêu hạng với độ xuất khí Mêtan tương đối là 15,58 m³/T.
  1. Phương pháp khoan xoay - đập thử nghiệm trong luận án đem lại hiệu quả kỹ thuật cụ thể nào so với khoan xoay truyền thống?
  • Khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89 giúp tăng tốc độ cơ học khoan trung bình từ 1,45 đến 1,7 lần, đồng thời làm giảm chi phí năng lượng phá hủy đá từ 51% đến 70% so với phương pháp khoan xoay thuần túy trong cùng điều kiện địa chất và thiết bị.
  1. Bộ thiết bị và dụng cụ khoan cụ thể nào được tác giả lựa chọn để nghiên cứu thử nghiệm?
  • Tác giả sử dụng thiết bị khoan xoay - đập thủy lực RPD-130SL-F2W, máy bơm nước rửa MG-15 và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 (đường kính 89 mm).
  1. Trữ lượng khí Mêtan tại 7 khu vực khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh khi xuống sâu đến mức -400 m được dự báo là bao nhiêu?
  • Theo kết quả khảo sát nêu trong luận án, trữ lượng khí tại 7 khu vực khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh ở độ sâu đến -400 m ước tính khoảng 4,68 tỷ m³ khí Mêtan, tương đương với 3,35 triệu tấn khí. Trong đó, mỏ Mạo Khê chiếm gần một phần ba tổng trữ lượng này.
  1. Vì sao các lỗ khoan ngang dài thi công bằng phương pháp khoan xoay trước đây tại mỏ Mạo Khê thường không đạt chiều dài thiết kế?
  • Do cột cần khoan nằm ngang chịu tác dụng của trọng lượng bản thân, gây ma sát trượt lớn với thành dưới lỗ khoan, làm tiêu hao tải trọng chiều trục truyền xuống đáy. Đồng thời, sự không đồng nhất về độ cứng giữa các lớp đá và đới nứt nẻ gây cong xiên quỹ đạo, kẹt cần và mất ổn định thành lỗ.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Trần Tuân đã giải quyết vấn đề kỹ thuật cấp bách trong công tác khoan tháo khí Mêtan tại mỏ than hầm lò Mạo Khê. Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hiện trường, tác giả đã luận chứng tính hợp lý của phương pháp khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD-130SL-F2W kết hợp bộ ống mẫu luồn PS-89, xác định chính xác bộ thông số chế độ khoan tối ưu cho các tầng đá vách. Kết quả nghiên cứu chứng minh tốc độ cơ học tăng từ 1,45 đến 1,7 lần và chi phí năng lượng giảm từ 51% đến 70%, đồng thời bảo đảm an toàn khai thác tại vỉa 9Đ mức -80. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn tin cậy phục vụ công tác thiết kế, thi công khoan tháo khí cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.