Tài liệu Nghiên cứu chế độ thoát khí metan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN THỊNH NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THOÁT KHÍ METAN KHI KHAI THẤC XUỐNG SÂU TRONG MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN THỊNH NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THOÁT KHÍ METAN KHI KHAI THẤC XUỐNG SÂU TRONG MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9 52 06 03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. ĐẶNG VŨ CH Í 2. TS. LÊ VĂN THAO HÀ NỘI - 2019 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thịnh 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thịnh 11 MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ, đồ thi Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Mục tiêu của đề tài 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4. Nội dung nghiên cứu 5. Phương pháp nghiên cứu 6. Ý nghĩa kha học và giá trị thực tiễn của đề tài 7. Những luận điểm mới của luận án 8. Luận điểm khoa học 9. Cấu trúc của luận án 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 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 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 V. Nhận xét chương 2 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 iv v vii 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 5 5 13 30 34 36 36 39 43 57 63 64 64 85 iii Ninh khi khai thác xuống sâu 3.3. Nhận xét chương 3 Chương 4. Đề thoát 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 Kết luận và kiến nghị Danh mục công trình công bố của tác giả Tài liệu tham khảo 93 94 94 98 117 119 121 123 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐB Đông Bắc ĐN Đông Nam TB Tây Bắc TKTD Tìm kiếm thăm dò TDBS Thăm dò bổ sung TDTM Thăm dò tỉ mỉ TOE Tonne of Oil Equivelent: Hệ số quy đổi năng lượng sang năng lượng dầu FO (1 tấn dầu FO= 1TOE, 1 tấn than cốc = 0,75 TOE, 1 tấn than cám 1,2 = 0,7 TOE, 1 tấn than cám 3,4 = 0,6 TOE, 1 tấn than cám 5,6 = 0,5 TOE, 1 xăng ô tô = 1,05 TOE, 1 kW điện= 0 ,0 0 0 1 5 4 3 T o E. CH Séc Cộng hòa Séc CHLB Đức Cộng hòa Liên bang Đức LC Lò chợ Lò CB Lò chuẩn bị Lò chợ CGH Cò chợ Cơ giới hóa CNKT Công nghệ khai thác HTKT Hệ thống khai thác DV Lò dọc vỉa XV Lò xuyên vỉa Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm do Bộ trưởng Bộ công thương ban hành QCVN01:2011/BCT kèm theo Thông tư số 03/2011/TT-BCT ngày 15 tháng 02 năm 2011 v DANH MUC CÁC BẢNG BIỂU Tên các bảng biêu • r r i /V r 1 *? 1 •Á Bảng 1.1. Nhiệt độ cháy nổ và hàm lượng khí mêtan trong không khí Bảng 1.2. Thời gian gây nổ của khí mê tan trong mối tương quan với hàm lượng khí và nhiệt độ nguồn lửa Bảng 1.3. Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình trên thế giới và hậu quả Bảng 1.4. Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình ở Việt Nam và hậu quả Bảng 1.5. Sản lượng khai thác của một số nước trên thế giới Bảng 1.6. D ự báo sản lượng khai thác than trên thế giới Bảng 1.7. Trữ lượng than vùng Quảng Ninh Bảng 2.1. Kết quả phân tích độ chứa khí metan trong các vỉa than của các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Bảng 2.2. Kết quả dự báo độ chứa khí mê tan trong các vỉa than ở một số mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh Bảng 3.1.Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR +30/+67 Bảng 3.2. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR +30/+67 Bảng 3.3.Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR -25/+30 Bảng 3.4. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò 6ĐMR -25/+30 Bảng 3.5. Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR -80/-25 Bảng 3.6. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR -80/-25 Bảng 3.7. Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR -150/-80 Bảng 3.8. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR -150/-80 Bảng 3.9. Độ chứa khí mêtan lò chợ +40/+24 khu III vỉa 10 Bảng 3.10. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ + 40/+24 khu III vỉa 10 Bảng 3.11.Độ chứa khí mêtan lò chợ +20/-18 khu III vỉa 10 Bảng 3.12. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ +20/-18 khu III vỉa 10 Bảng 3.13.Độ chứa khí mêtan lò chợ -20/-46 khu III vỉa 10 Bảng 3.14. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -20/-46 khu III vỉa 10 Bảng 3.15.Độ chứa khí mêtan lò chợ -46/-65 khu III vỉa 10 Bảng 3.16. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -46/-65 khu III vỉa 10 Bảng 3.17.Độ chứa khí mêtan lò chợ-70/-100 khu III vỉa 10 Bảng 3.18. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -70/-100 khu III vỉa 10 Bảng 3.19.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-2 (-25/-55) Bảng 3.20. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-2 (-25/-55) Bảng 3.21.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-5 (-55/-100) Bảng 3.22. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-5 (-55/-100) Bảng 3.23.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-4 (-100/-125) Trang 8 9 11 13 16 16 30 44 59 65 65 65 66 66 66 67 67 67 68 68 68 69 69 69 69 70 70 71 71 71 71 72 vi Bảng 3.24. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-4 (-100/-125) Bảng 3.25.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-6 (-125/-168) Bảng 3.26. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-6 (-125/-168) Bảng 3.27.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-6.1 (-170/-198) Bảng 3.28. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-4 (-170/-198) Bảng 3.29. Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát tại mỏ than Mạo Khê Bảng 3.30. Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát tại mỏ than Hà Lầm Bảng 3.31. Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát tại mỏ than Khe Chàm 1 Bảng 3.32. M ức khai thác một số mỏ than hầm lò qua các năm 2007-2015 Bảng 3.33. Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Mạo Khê Bảng 3.34. Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Hà Lầm Bảng 3.35. Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Khe Chàm 1 Bảng 3.36. Các thông số địa chất kỹ thuật môt số lò chợ mỏ than M ạo Khê Bảng 3.37. Các thông số địa chất kỹ thuật một số lò chợ mỏ than Hà Lầm Bảng 3.38. Các thông số địa chất kỹ thuật một số lò chợ mỏ than Khe Chàm 1 Bảng 3.39. Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí mêtan mỏ than Mạo Khê Bảng 3.40. Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí mêtan mỏ than Hà Lầm Bảng 3.41. Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí mêtan mỏ than Khe Chàm 1 Bảng 4.1. Các thông số lỗ khoan tại một khám khoan Bảng 4.2. Đặc tính kỹ thuật của máy bơm rửa loại WT-30-2PB Bảng 4.3. So sánh ưu nhược điểm của 2 phương án 72 72 73 73 73 74 75 77 83 83 83 84 89 90 90 90 91 92 110 113 116 vil D A N H M U C C Á C H ÌN H V Ẽ , Đ Ồ T H I Tên các bảng biêu Hình 1.1. Hỗn hợp nổ của mê tan với không khí Hình 1.2. Giới hạn nổ phụ thuộc vào áp suất ban đầu Hình 1.3. Quan hệ giữa độ thoát khí mêtan tuyệt đối với sản lượng lò chợ (Vùngthan Silesia Balan) Hình 1.4. Quan hệ giữa độ thoát khí Mê tan tuyệt đối với sản lượng lò chợ Hình 1.5.. Đồ thị biến thiên hàm lượng M ê tan trong luồng gió thải của lò chợ vỉa XXXII mỏ than Brzeszcze trong 1 tuần m A r 1 1 • Á T rang 7 8 17 18 18 Hình 1.6. Đồ thị biến thiên hàm lượng M ê tan theo biểu đồ chu kỳ sản thoát lò chợ vỉa XXXII mỏ than Brzeszcze 19 H ình 1 .7 . S ự p h â n b ổ k h í mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ 20 dài theo p h ư ơ n g với hệ thổng thông gió nghịch Hình 1.8. Sự phân bổ khí mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ dài theo phương với thông gió từ dưới lên trên Hình 1.9. Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ dài theo phương với thông gió từ trên xuống Hình 1.10. Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác khấu đuổi Hình 1.11. Cường độ thoát khí từ mặt lộ gương theo thời gian Hình 1.12. Sự thoát khí từ than đã khai thác Hình 1.13. Sự thoát khí từ than đã khấu của vỉa than Bonđurevski thuộc mỏ Kirov vùng Kuzbas Hình 1.14. Sự phân bố hàm lượng khí mêtan trong tiết diện đường lò Hình 1.15. Sự tăng hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải ở lò chợ Hình 1.16. Phân bố hàm lượng mêtan trong không gian đã khai thác của lò chợ Hình 1.17. Sự phát triển hàm lượng khí Mêtan trong lò chợ vỉa B, Mỏ Lupeni Hình 2.1. Phân bố độ chứa khí mêtan ở Tây Bắc và miền Trung bể than Silesia Hình 2.2. Phân bố độ chứa khí mê tan ở phía Nam của bể than Silesia Hình 2.3. Các miền khí phân theo chiều sâu Hình 2.4. Bản đồ vị trí địa lý bể than Quảng Ninh H ình 2.5. B iến thiên độ chứa k h í mê tan trong vỉa than của m ỏ than 21 21 22 22 23 23 24 25 26 26 36 37 38 39 57 M ạo K hê H ình 2.6. Biến thiên độ chứa k h í mê tan trong vỉa than của m ỏ than 58 H à Lầm H ình 2.7. B iến thiên độ chứa k h í mê tan trong vỉa than m ỏ than K he Chàm 58 viii Hình 3.1. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ than Mạo Khê Hình 3.2. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tương đối mỏ than Mạo Khê Hình 3.3. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ than Hà Lầm Hình 3.4. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tương đối mỏ than Hà Lầm Hình 3.5. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ than Khe Chàm 1 Hình 3.6. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tương đối mỏ than Khe Chàm 1 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ than Mạo Khê Hình 3.8 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ Hà Lầm Hình 3.9 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ Khe Chàm 1 Hình 3.10 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tương đối mỏ than Mạo Khê Hình 3.11 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tương đối mỏ Hà Lầm Hình 3.12 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tương đối mỏ Khe Chàm 1 Hình 3.13. Thể tích khí metan thoát ra tư các mỏ than hầm lò Hình 3.14. M ỗi tương quan giữa kết quả dự báo và kết quả đo đạc thực tế về độ thoát khí mê tan Hình 4.1. Sơ đổ bố trí lỗ khoan thăm dò Hình 4.2. Hình ảnh thiết bị đo, cảnh báo khí mê tan cầm tay Hình 4.3. Thiết bị MMI-01 Hình 4.4. Sơ đồ khối về hệ thống quan trắc 75 75 76 77 78 78 79 80 80 81 81 82 85 92 95 96 97 98 ix Hình 4.5. Phương pháp khoan tháo khí mêtan trong khi khai thác sử dụng các lỗ khoan từ lò thông gió 100 H ình 4.6. S ơ đồ vị trí lò c h ợ I - 11-5 m ỏ than K he Chàm 1 101 Hình 4.7. Sơ đồ bố trí thiết bị tháo khí tại khám khoan Hình 4.8.Hệ thống máy khoan WD-02EA, WD-02H Hình 4.9. Hệ thống máy khoan WDP-1C, WDP-2A Hình 4.10. Hệ thống máy khoan WDH-1 Hình 4.11. Sơ đồ đưa khí mêtan lên mặt đất và xả ra bầu khí quyến Hình 4.12. Sơ đồ xả khí mêtan ra đường lò thông gió của trạm quạt 111 112 113 113 115 115 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14 tháng 3 năm 2016 của Thủ tướng Chính phủ về việc Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, tại điều 1, mục II.2.b có nêu “Sản lượng than thương phẩm sản xuất toàn ngành trong các giai đoạn của quy hoạch: Khoảng 41 - 44 triệu tấn vào năm 2016; 47 - 50 triệu tấn vào năm 2020; 51 - 54 triệu tấn vào năm 2025 và 55 - 57 triệu tấn vào năm 2030”. Để đạt được yêu cầu về sản lượng các mỏ than hầm lò ngày càng phải xuống sâu, mở rộng quy mô cũng như áp dụng cơ giới hóa trong khai thác và đào lò. Sản lượng than khai thác tăng kéo theo lượng khí mê tan thoát ra các lò chợ và lò chuẩn bị ngày càng nhiều. Khí mê tan là loại khí có thể gây ra hiện tượng cháy nổ hết sức nguy hiểm. Trong lịch sử khai thác than hầm lò trên Thế giới và ở Việt Nam 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 mê tan 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. Ở nước ta, 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. Để đánh giá được mức độ nguy hiểm của khí mê tan đối với mỗi mỏ than hoặc mỗi khu vực khai thác, cần phải xác định được chế độ thoát khí mê tan của mỏ hoặc khu vực khai thác đó. Trong đó vấn đề đặc biệt quan trọng là nghiên cứu xác định độ chứa khí mê tan trong các vỉa than và độ thoát khí me tan ra 2 các đường lò mỏ một cách định lượng để áp dựng phương pháp khai thác và sử dụng phương tiện phòng chống cháy nổ khí mê tan phù hợp vừ bảo đảm an toàn vừa nâng cao hiệu quả kinh tế. Vì vậy “Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh"mang tính cấp thiết. 2. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu. - 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. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Độ thoát khí và độ chứa khí mê tan 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: của đề tài là các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan trong các mỏ than hầm lò trên Thế giới và Việt Nam - Nghiên cứu đặc điểm độ chứa khí mê tan khi khai thác xuống sâu trong các vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh - Nghiên cứu độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh - Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan phù hợp cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 5. Phương pháp nghiên cứu 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. 6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 3 6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Xây dựng các hàm hồi quy theo phương pháp bình phương nhỏ nhất để dự báo độ chứa khí và thoát khí mê tan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh; - Dự báo được quá trình thoát khí mê tan 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. 6.2. Giá trị thực tiễn của đề tài: 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 để có biện pháp phòng ngừa cháy nổ khí metan phù hợp. 7. Những điểm mới của luận án - Xây dựng được hàm hồi quy về độ chứa khí mê tan trong các vỉa than tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có dạng phương trình y = a.xb. - Thành lập bản đồ phân vùng khí mê tan theo phạm vi và theo chiều sâu của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh - Dự báo độ thoát khí mê tan cho các lò chợ tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có dạng hàm hồi quy y=0,8651x +0,00246 với độ lệch R2=0,9896, với kết quả đo đạc thực tế bằng kết quả dự báo nhân thêm với hệ số k =0,8651và cộng với 0,00246 8. Luận điểm khoa học - Càng khai thác xuống sâu thì độ chứa khí và độ thoát khí mê tan càng tăng; - Cùng một điều kiện địa chất, độ thoát khí mê tan phụ thuộc vào độ chứa khí metan trong vỉa và sản lượng khai thác; - Đối với hệ thống khai khai thác chia lớp, độ thoát khí mê tan ở lò chợ lớp vách lớn hơn ở lò chợ lớp trụ. 9. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị. 10. 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. Tác giả luận án xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Mỏ, Bộ môn Khai thác hầm lò trường Đại học Mỏ- Địa chất, đặc biệt là hai cán bộ hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Vũ Chí 4 và TS. Lê Văn Thao đã tận tình giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu. Tác giả luận án cũng xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn bè đồng nghiệp, Hội khoa học công nghệ mỏ Việt Nam, xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo, cán bộ các đơn vị: Tập đoàn công nghiệp than- khoáng sản Việt Nam, Các công ty khai thác, hỗ trợ khai thác các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, đặc biệt là Trung tâm An toàn mỏ, Viện KHCN mỏ-Vinacomin, Trung tâm cấp cứu mỏ- Vinacomin,... đã hỗ trợ số liệu, tài liệu thực tế và đóng góp ý kiến phục vụ công tác nghiên cứu. 5 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 1.1.1. 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). 1.1.1.2. 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 (1.2) 4C 6H 10O 5 = 7CH4 + CO 2 + 3H 2 O + C 9H6 O (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. Theo M. 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. 1.1.2. 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 1.1. 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 1.2 8 Hình 1.2. Giới hạn nổ phụ thuộc vào áp suất ban đầu 1.1.2.2. 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 1.1. Bảng 1.1. Quan hệ về nhiệt độ và hàm lượng khí mê tan trong không khí dân đến cháy nổ CH4 , % 2 T 0 gây nổ 810 3,4 665 6,5 512 7,6 510 8,1 514 9,5 525 11 14 539 565 1.1.2.3. 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 1.2