Tổng quan nghiên cứu

Công ty 790 - Chi nhánh Tổng Công ty Đông Bắc quản lý và khai thác khoáng sản than tại khu mỏ Bắc Quảng Lợi, tỉnh Quảng Ninh, cách thành phố Cẩm Phả khoảng 9 km về phía Đông. Khu vực này có điều kiện địa chất phức tạp với nhiều hệ thống nếp uốn và đứt gãy, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khai thác than và công tác an toàn mỏ. Theo báo cáo năm 2015, tổng trữ lượng than trong ranh giới mỏ đạt khoảng 28 triệu tấn, trong đó trữ lượng trong phạm vi dự án từ mức +26 m đến -250 m là khoảng 16 triệu tấn. Các vỉa than có giá trị công nghiệp gồm vỉa 5, 6, 7 và 8 với chiều dày than trung bình từ 1,31 m đến 1,96 m, độ dốc vỉa dao động từ 30° đến 70°.

Khí mỏ tại khu vực chứa các loại khí chủ yếu như CO2, H2, CH4 và N2, trong đó khí metan (CH4) có hàm lượng trung bình 31,53% và độ chứa khí tự nhiên trung bình 1,36 cm³/gkc, có nơi lên đến 9,90 cm³/gkc. Mỏ được xếp loại II về khí mê tan theo Quy chuẩn quốc gia, đòi hỏi công tác đo đạc, giám sát khí mỏ phải được thực hiện thường xuyên và nghiêm ngặt nhằm đảm bảo an toàn trong khai thác than hầm lò. Nghiên cứu nhằm đề xuất hệ thống quan trắc khí mỏ tự động hiện đại, phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu sản xuất của Công ty 790, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và an toàn lao động.

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 địa chất mỏ than, khí mỏ và hệ thống quan trắc khí tự động. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết địa chất mỏ than: Phân tích cấu trúc địa tầng, đặc điểm các loại đá trầm tích và vỉa than, ảnh hưởng của các đứt gãy và nếp uốn đến trữ lượng và khai thác than. Các khái niệm chính bao gồm: địa tầng Mezozoic và Cenozoic, các loại đá trầm tích (cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết), vỉa than công nghiệp, đứt gãy địa chất, góc dốc vỉa than.

  2. Lý thuyết khí mỏ và an toàn khai thác than: Nghiên cứu thành phần khí mỏ, hàm lượng và độ chứa khí metan, phân loại mỏ theo cấp khí mê tan, nguyên tắc bố trí thiết bị đo khí và hệ thống cảnh báo tự động. Các khái niệm chính gồm: khí metan (CH4), khí cacbonic (CO2), khí hyđro (H2), độ chứa khí tự nhiên, cấp khí mỏ, hệ thống quan trắc khí mỏ tập trung, atomat liên động cắt điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp từ các báo cáo địa chất, tài liệu thăm dò, kết quả đo khí mỏ và sản xuất của Công ty 790 trong giai đoạn 2012-2020. Cỡ mẫu gồm 58 vị trí lấy mẫu khí metan và khí tổng hợp, 132 mẫu than và 33 mẫu khí được phân tích định lượng. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích địa tầng và cấu trúc địa chất dựa trên bản đồ đẳng trụ vỉa, số liệu khoan thăm dò và khảo sát thực địa.
  • Đánh giá hàm lượng và độ chứa khí metan qua các mẫu khí lấy từ các vỉa than và đá vây quanh.
  • So sánh kết quả đo khí thực tế với quy chuẩn quốc gia QCVN 01:2011/BCT để xếp loại mỏ theo cấp khí mê tan.
  • Nghiên cứu và đánh giá các hệ thống quan trắc khí mỏ tự động hiện có trên thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt hệ thống KSP-2C của Ba Lan và hệ thống của hãng KCME Nhật Bản.
  • Phân tích kỹ thuật, chức năng và hiệu quả của các thiết bị đo khí, phần mềm giám sát và hệ thống cảnh báo tự động.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2023, tập trung vào việc thu thập, xử lý dữ liệu và đề xuất giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế của Công ty 790.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất và trữ lượng than: Khu mỏ Bắc Quảng Lợi có cấu trúc địa chất phức tạp với nhiều hệ thống nếp uốn và đứt gãy chính như F.A, F.T, F.4, F.1a, F.1b, F.19, F.20, F.D, F.N, F.3, F.7. Tổng trữ lượng than trong ranh giới mỏ đạt khoảng 28 triệu tấn, trong đó trữ lượng trong phạm vi dự án từ +26 m đến -250 m là khoảng 16 triệu tấn. Chiều dày than trung bình các vỉa từ 1,31 m đến 1,96 m, độ dốc vỉa từ 30° đến 70°.

  2. Hàm lượng và độ chứa khí metan: Hàm lượng khí metan trung bình trong các vỉa than là 31,53%, độ chứa khí tự nhiên trung bình 1,36 cm³/gkc, có nơi đạt đến 9,90 cm³/gkc. Phân bố khí metan tăng dần theo chiều sâu địa tầng, vỉa 6 có hàm lượng và độ chứa khí cao hơn các vỉa trên. Số vị trí lấy mẫu có độ chứa khí metan + hydro >8 cm³/gkc chiếm khoảng 2% tổng số mẫu, chủ yếu ở mức sâu dưới -119 m.

  3. Hiệu quả hệ thống quan trắc khí mỏ hiện tại: Hệ thống giám sát khí mỏ tập trung KSP-2C của Ba Lan đang được sử dụng tại Công ty 790 với 18 đầu đo khí metan, 6 đầu đo khí CO và 7 đầu đo gió, hoạt động liên tục 24/7. Tuy nhiên, hệ thống gặp khó khăn về ngôn ngữ giao tiếp, bảo dưỡng, sửa chữa và khả năng mở rộng khi diện sản xuất tăng. Năm 2020, công tác đo khí được thực hiện nghiêm ngặt với tần suất đo ít nhất 2 lần/ca tại các vị trí làm việc, đảm bảo an toàn khí mỏ.

  4. Xếp loại mỏ theo khí mê tan: Dựa trên kết quả đo khí năm 2020 và Quy chuẩn quốc gia, mỏ Bắc Quảng Lợi được xếp loại II về khí mê tan, yêu cầu công tác đo đạc, giám sát khí mỏ phải được thực hiện thường xuyên và có hệ thống cảnh báo tự động để phòng ngừa sự cố cháy nổ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện địa chất phức tạp với nhiều đứt gãy và nếp uốn ảnh hưởng lớn đến trữ lượng và khai thác than, đồng thời làm tăng nguy cơ tích tụ khí metan trong mỏ. Hàm lượng và độ chứa khí metan cao ở các vỉa sâu hơn phù hợp với quy luật phân bố khí chung của vùng than Quảng Ninh. Việc áp dụng hệ thống quan trắc khí mỏ tự động như KSP-2C giúp nâng cao hiệu quả giám sát và an toàn khai thác, tuy nhiên hạn chế về công nghệ và khả năng mở rộng đặt ra nhu cầu nghiên cứu, cải tiến hệ thống phù hợp hơn với điều kiện thực tế.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc duy trì tần suất đo khí cao và sử dụng phần mềm giám sát hiện đại giúp phát hiện kịp thời các biến động khí, giảm thiểu rủi ro cháy nổ. Việc bố trí các đầu đo khí, gió và atomat liên động cắt điện theo nguyên tắc khoa học đảm bảo kiểm soát chặt chẽ khí metan trong các khu vực khai thác và lò chợ. Dữ liệu đo khí được trình bày qua biểu đồ xu hướng và bảng số liệu chi tiết giúp phân tích và ra quyết định nhanh chóng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống quan trắc khí mỏ tự động: Thiết kế và triển khai hệ thống đo khí tự động hiện đại, tích hợp phần mềm giám sát thân thiện, hỗ trợ tiếng Việt, dễ dàng bảo trì và mở rộng khi diện sản xuất tăng. Mục tiêu giảm thiểu thời gian gián đoạn hệ thống, nâng cao độ tin cậy trong vòng 12 tháng, do phòng Kỹ thuật Công nghệ phối hợp với nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

  2. Tăng cường tần suất và phạm vi đo khí: Mở rộng số lượng đầu đo khí và gió tại các vị trí trọng yếu, đặc biệt ở các vỉa than có hàm lượng khí metan cao, đảm bảo đo khí ít nhất 3 lần/ca tại tất cả các vị trí làm việc. Thực hiện liên tục trong năm sản xuất, do đội Thông gió, đo khí chịu trách nhiệm.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành, bảo trì hệ thống quan trắc khí mỏ và xử lý sự cố khí metan cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành. Thời gian đào tạo trong 6 tháng đầu năm, do phòng Đào tạo phối hợp với chuyên gia kỹ thuật thực hiện.

  4. Xây dựng quy trình quản lý và xử lý dữ liệu khí mỏ: Thiết lập quy trình chuẩn về thu thập, lưu trữ, phân tích và báo cáo dữ liệu khí mỏ, kết hợp với phần mềm giám sát để cảnh báo sớm và ra quyết định kịp thời. Áp dụng trong vòng 3 tháng, do phòng An toàn phối hợp với phòng Kỹ thuật xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia địa chất mỏ: Nghiên cứu chi tiết về đặc điểm địa tầng, cấu trúc địa chất và trữ lượng than tại khu mỏ Bắc Quảng Lợi, hỗ trợ trong công tác thăm dò và khai thác hiệu quả.

  2. Nhà quản lý và cán bộ an toàn mỏ: Tham khảo các giải pháp giám sát khí mỏ tự động, quy trình đo đạc và xử lý khí metan nhằm nâng cao an toàn lao động và phòng chống cháy nổ.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, công nghệ mỏ: Tìm hiểu về hệ thống quan trắc khí mỏ hiện đại, thiết bị đo khí, phần mềm giám sát và ứng dụng công nghệ trong khai thác than hầm lò.

  4. Các đơn vị cung cấp thiết bị và giải pháp công nghệ mỏ: Tham khảo yêu cầu kỹ thuật, đặc điểm vận hành và các hạn chế của hệ thống quan trắc khí mỏ hiện tại để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mỏ Bắc Quảng Lợi được xếp loại II về khí mê tan?
    Mỏ có hàm lượng khí metan trung bình 31,53% và độ chứa khí tự nhiên trung bình 1,36 cm³/gkc, với một số vị trí có độ chứa khí >8 cm³/gkc. Theo Quy chuẩn quốc gia QCVN 01:2011/BCT, mỏ có mức độ khí mê tan như vậy thuộc loại II, đòi hỏi công tác giám sát khí nghiêm ngặt.

  2. Hệ thống quan trắc khí mỏ KSP-2C có những ưu điểm gì?
    Hệ thống hoạt động liên tục 24/7, giám sát đa kênh khí metan, CO, gió, nhiệt độ, có khả năng cảnh báo tự động và cắt điện khi khí vượt ngưỡng, giúp đảm bảo an toàn khai thác. Ngoài ra, hệ thống có phần mềm giám sát chi tiết, lưu trữ và phân tích dữ liệu theo thời gian thực.

  3. Những khó khăn khi sử dụng hệ thống KSP-2C tại Công ty 790 là gì?
    Hệ thống sử dụng ngôn ngữ tiếng Anh, gây khó khăn trong vận hành và bảo trì. Phụ tùng thay thế hiếm, khả năng mở rộng hạn chế khi diện sản xuất tăng. Do đó cần nghiên cứu nâng cấp hoặc thay thế bằng hệ thống phù hợp hơn.

  4. Làm thế nào để bố trí các đầu đo khí và atomat liên động cắt điện hiệu quả?
    Các đầu đo khí được bố trí tại lò chợ, lò chuẩn bị, cửa lò thông gió chính, trạm điện và băng tải. Atomat liên động cắt điện đặt tại vị trí luồng gió sạch để tự động cắt điện khi khí metan vượt ngưỡng, đảm bảo an toàn cho khu vực khai thác.

  5. Phần mềm giám sát khí mỏ có vai trò gì trong quản lý an toàn mỏ?
    Phần mềm giúp cài đặt cấu hình kênh đo, lưu trữ và hiển thị dữ liệu khí theo thời gian thực, cảnh báo sớm khi khí vượt ngưỡng, hỗ trợ phân tích xu hướng và ra quyết định kịp thời. Ngoài ra, phần mềm Solaris hỗ trợ hiển thị trực quan các thiết bị và trạng thái trong lò, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi.

Kết luận

  • Khu mỏ Bắc Quảng Lợi có điều kiện địa chất phức tạp, trữ lượng than lớn với các vỉa than có giá trị công nghiệp và hàm lượng khí metan cao, đòi hỏi công tác giám sát khí mỏ nghiêm ngặt.
  • Mỏ được xếp loại II về khí mê tan, yêu cầu áp dụng hệ thống quan trắc khí mỏ tự động và quy trình đo đạc chặt chẽ để đảm bảo an toàn khai thác.
  • Hệ thống quan trắc khí mỏ KSP-2C của Ba Lan đang được sử dụng hiệu quả nhưng có hạn chế về ngôn ngữ, bảo trì và khả năng mở rộng.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống quan trắc khí mỏ tự động hiện đại, tăng cường tần suất đo khí, đào tạo nhân sự và xây dựng quy trình quản lý dữ liệu khí mỏ.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm hệ thống mới, đào tạo vận hành và đánh giá hiệu quả trong vòng 12 tháng, nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả sản xuất tại Công ty 790.

Hành động ngay hôm nay để đảm bảo an toàn và phát triển bền vững trong khai thác than hầm lò tại Bắc Quảng Lợi!