phần mở đầu, 4 chƣơng nội dung nghiên cứu, kết luận, kiến nghị, danh mục các công trình khoa học của tác giả đã đƣợc công bố và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung của luận án đƣợc trình bày trong 137 trang trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14, font chữ Time New Roman, Unicode, trong đó có 58 hình vẽ, 27 bảng biểu và phần phụ lục. Lời cảm ơn Luận án đƣợc hoàn thành tại bộ môn Khoan - Khai thác, khoa Dầu khí, trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học tận tình của PGS. TS Trần Đình Kiên - Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất và TS.
Nguyễn Xuân Thảo - Hội Công nghệ Khoan - Khai thác Việt Nam. Tác giả xin chân thành tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hƣớng dẫn đã chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu của tác giả. Trong quá trình làm luận án, tác giả nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các chuyên gia, các nhà khoa học thuộc Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin, Công ty than Mạo Khê - Vinacomin, Công ty than Khe Chàm - Vinacomin, Công ty than Mông Dƣơng và Trung Tâm quản lý khí mỏ than Việt Nam - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trƣớc sự hỗ trợ hết sức quý báu đó.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Ban giám hiệu trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, các cán bộ hƣớng dẫn khoa học, các cơ quan đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những ngƣời thân trong gia đình, tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian khó khăn mà tác giả trải qua để hoàn thành luận án. Xin ch©n thµnh c¶m ¬n ! 20 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác hầm lò trên thế giới Ngày nay, khoa học đã khẳng định khí Mêtan thoát ra từ các mỏ khai thác than xâm nhập vào bầu khí quyển là một trong những nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trƣờng và hiệu ứng nhà kính.
Tuy nhiên, nếu nhìn nhận dƣới góc độ tích cực thì bản thân khí Mêtan là một nguồn nguyên liệu dùng làm khí đốt cho dân sinh; dùng cho công nghiệp hoá học; các nồi hơi, các lò nung công nghiệp; dùng cho sản xuất điện. Nhƣ vậy, trong công nghiệp khai thác than, nếu thu hồi và có công nghệ sử dụng hợp lý thì khí Mêtan lại là một nguồn tài nguyên quý, đồng thời việc thu hồi khí Mêtan thoát ra trong quá trình khai thác sẽ góp phần tích cực loại trừ đƣợc hiểm hoạ cháy nổ mỏ và giảm thiểu gây ô nhiễm môi trƣờng. Theo kết quả nghiên cứu của Trƣờng Đại học mỏ Quốc gia Xankt- Peterburg - Liên bang Nga [34] thì trữ lƣợng khí Mêtan ở các mỏ than của 40 nƣớc trên thế giới từ 115 đến 350 nghìn tỷ m3; trong đó: Nga từ 51 đến 52 nghìn tỷ m3; Trung Quốc từ 30 đến 37 nghìn tỷ m3; Mỹ từ 19 đến 22 nghìn tỷ m3; Canađa từ 10 đến 12 nghìn tỷ m3; Úc từ 8 đến 14 nghìn tỷ m3 và Indonesia từ 10 đến 11 nghìn tỷ m3. Theo báo cáo của tổ chức nghiên cứu về khí Mêtan ở Mỹ và Giơnevơ [34], các vụ tai nạn lớn, điển hình do nổ khí Mêtan ở các vỉa than trong giai đoạn từ năm 2005 đến 2007 ở trên thế giới đƣợc trình bày ở bảng 1.
Hiện nay, tình trạng cháy nổ khí Mêtan ngày càng thêm trầm trọng do hệ thống khai thác than hầm lò ngày càng xuống sâu và mở rộng quy mô khai thác. Các vụ tai nạn điển hình liên quan tới nổ khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò của một số nƣớc trên thế giới Nƣớc Thời gian Mỏ than Số lƣợng ngƣời chết Trung Quốc 14-2-2005 Mỏ than Xunzanvanh, giếng 214 Haizu, Phunxinh Kazastan 20-9-2006 Mỏ mang tên Lênin, TP. 43 Karagand Nga 19-3-2007 Mỏ than “Ulianovk” TP. 108 Kemerovo Ucraina 19-11-2007 Mỏ than mang tên 80 Zaxiat’co, TP.
Doneshk Mỹ 2-6-2006 Mỏ than “Cago” miền bắc 12 Virgina Theo kết quả nghiên cứu của Trƣờng Đại Mỏ Quốc gia Xankt- Peterburg- Liên bang Nga [34], khai thác khí Mêtan của 14 nƣớc công nghiệp trên thế giới đạt từ 75 - 80 tỷ m3/năm; trong đó: Mỹ đạt 54 tỷ m3/năm; Canada đạt 7,5 tỷ m3/năm; Trung Quốc 5,8 tỷ m3/năm; Úc đạt 5,5 tỷ m3/năm. Riêng ở Mỹ từ năm 1989 đến năm 2010, khối lƣợng khí Mêtan thu hồi từ các mỏ than tăng 20 lần (từ 2,5 tỷ m3/năm đến 54 tỷ m3/năm); Canađa từ năm 2003 đến năm 2010 tăng 15 lần (từ 0,5 tỷ m3/năm đến 7,5 tỷ m3/năm); Úc và Trung Quốc từ giữa những năm 90 đến năm 2010 tăng hơn 10 lần (từ 0,4 - 0,5 tỷ m3/năm đến 5,5 - 5,8 tỷ m3/năm).1 mô tả thực trạng thu hồi khí Mêtan hàng năm và dự báo khả năng thu hồi khí Mêtan trong các mỏ hầm lò của một số nƣớc trên thế giới [34]. 22 120 Khối lượng thu hồi khí mê tan, tỷ tấn 100 Trung Quốc 80 Úc 60 Canada 40 Mỹ 20 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2010 2011 2013 2015 Năm Hình 1. Thực trạng và dự báo khối lƣợng thu hồi khí Mêtan ở một số nƣớc trên thế giới Ở Việt Nam, theo thống kê của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin), trong thời gian từ năm 1998 đến 2008 các mỏ than hầm lò ở khu vực Quảng Ninh đã xảy ra 11 vụ tai nạn lao động do khí Mêtan, chiếm 9,4% tổng số các vụ tai nạn lao động trong hầm lò; 41 ngƣời chết, chiếm 22,9 % trong tổng số ngƣời lao động bị tai nạn trong hầm lò.
Đặc biệt, ngày 11/01/1999, tại mỏ Mạo Khê đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm 19 công nhân bị thiệt mạng; ngày 06/3/2006, tại công trƣờng đào lò 3 – khu Yên Ngựa thuộc Công ty than Thống Nhất, đã xảy ra một vụ nổ khí Mêtan cƣớp đi cuộc sống của 8 thợ mỏ. Trong những năm gần đây, Tập đoàn đã tăng cƣờng đẩy mạnh các biện pháp về quản lý khí mỏ nhƣ trang bị cho các mỏ các thiết bị quan trắc khí, dự báo khí Mêtan ở các gƣơng lò khai thác, khoan tháo khí tiến trƣớc để tháo khí Mêtan nhằm giảm nồng độ khí Mêtan xuất lộ trong quá trình khai thác; đồng thời cũng đẩy mạnh công tác nghiên cứu khí mỏ và khả năng thu hồi, sử dụng phục vụ cho các mục đích khác nhau. Theo kết quả nghiên cứu [1, 4] thì đại đa số các mỏ than khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh đều thuộc mức độ nguy hiểm về khí Mêtan. Đặc biệt các 23 mỏ than khai thác ở chiều sâu từ -150m đến - 200m; trong tƣơng lai không xa sẽ khai thác tới chiều sâu -300m đến – 400m.
Sản lƣợng than khai thác càng tăng, đồng nghĩa với lƣợng khí Mêtan và các loại khí khác thoát ra từ các vỉa than trong quá trình khai thác càng lớn. Đây là một hiểm hoạ rất lớn đối với công tác an toàn và môi trƣờng khai thác mỏ. Theo kết quả đánh giá sơ bộ, với chiều sâu khai thác hiện nay và xuống sâu tới -400m, trữ lƣợng khí tại 7 khu vực khai thác hầm lò có khoảng 4,68 tỷ m3 tƣơng đƣơng với 3,35 triệu tấn khí Mêtan [3]. Đây là các khu vực cần đƣợc nghiên cứu để có các giải pháp tháo khí trong vỉa than nhằm đảm bảo giảm thiểu nguy cơ cháy nổ khí và phục vụ cho nhu cầu phát triển năng lƣợng.
Nhƣ vậy, việc thu hồi khí Mêtan trong các vỉa than trƣớc khi khai thác là vấn đề cần thiết, không những góp phần loại trừ các hiểm hoạ liên quan tới cháy nổ mỏ, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, mà còn thu hồi đƣợc nguồn nhiên liệu giá trị phục vụ cho công nghiệp và dân sinh. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới Hiện nay, trên thế giới đang tồn tại hai phƣơng pháp cơ bản tháo và thu hồi khí Mêtan từ các vỉa than: - Phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất; - Phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò. Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất Các lỗ khoan từ trên mặt đất đƣợc áp dụng để tháo và thu hồi khí ở các vỉa than trƣớc khi đƣa vào khai thác hoặc ở các khu vực lò khai thác cũ, khu vực lò đã phá hoả đánh sập ở phía sau gƣơng khai thác (hình 1. Các lỗ khoan từ trên mặt đất để tháo và thu hồi khí là các lỗ khoan thẳng đứng, đƣờng kính lớn; đƣờng kính cuối cùng thƣờng từ 200mm đến 300mm.
Vị trí các lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất 1. lỗ khoan thu hồi khí từ các vỉa than; 2. lỗ khoan thu hồi khí ở khu vực phá hoả đánh sập Cấu trúc lỗ khoan, chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào lƣu lƣợng khí cần thu hồi và vị trí chiều sâu của vỉa than, vị trí lò khai thác cũ. Cấu trúc lỗ khoan thƣờng phức tạp và đƣợc lựa chọn trên cơ sở điều kiện địa chất mỏ; điều kiện kỹ thuật- công nghệ thi công và điều kiện lắp đặt các thiết bị khai thác.
Đồng thời cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: - Thân giếng cần phải bịt kín, ngăn cách tốt để không bị nƣớc bề mặt hoặc nƣớc ngầm từ phía vách, trụ và đá bao quanh xâm nhập vào lỗ khoan, đồng thời cũng ngăn cách không cho khí từ vỉa than thoát ra bên ngoài lỗ khoan trong quá trình khai thác; - Khoảng không gian giữa thân giếng và cột ống chống, ống khai thác cần trám xi măng bịt kín không cho khí thoát vào khoảng không gian này; - Đảm bảo lắp đặt các thiết bị, dụng cụ khai thác trong lòng giếng; - Cần đảm bảo độ bền của lỗ khoan trong thời kỳ khai thác. Thiết bị khoan là các thiết bị khoan đƣờng kính lớn nhƣ thiết bị khoan GY-600; XY-42; LF-70; LF-90C; LF-90D; thiết bị URB - 3AM; thiết bị 1BA-15B; v. kết hợp với công nghệ khoan phá mẫu bằng choòng chóp 25 xoay; công nghệ khoan xoay lấy mẫu bằng mũi khoan kim cƣơng nếu cần lấy mẫu đá, mẫu than để nghiên cứu. Cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất 1.
ống định hƣớng; 2. ống trung gian; 3. ống khai thác; 5.3 mô tả cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất.