Giáo trình nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu phần 1 (dùng cho trình độ cao học)

1 78 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS Hoàng Hùng Thắng TS Lê Văn Thao TS Phạm Đức Thang GIÁO TRÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ THÔNG GIÓ THOÁT NƯỚC KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU D NG CHO TR NH[.]

1

78

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

TS Hoàng Hùng Thắng

TS Lê Văn Thao

TS Phạm Đức Thang

GIÁO TRÌNH

NÂNG CAO HIỆU QUẢ THÔNG GIÓ THOÁT NƯỚC KHI KHAI THÁC

XUỐNG SÂU

D NG CHO TR NH Đ CAO HỌC

QUẢNG NINH – 2020

2 Trang phụ bìa

3

LỜI NÓI ĐẦU

Thông gió là biện pháp cơ bản nhất để cải thiện điều kiện làm việc và nâng cao mức độ an toàn cho người làm việc trong hầm lò Thông gió còn là một giải pháp hữu hiệu nhất để phòng chống cháy nổ khí Metan và bụi than Công việc chủ yếu của thông gió mỏ là duy trì trong các đường lò đang hoạt động một bầu không khí sạch, mang lại cho người làm việc cảm giác nhiệt thích hợp với điều kiện lao động và đưa hàm lượng khí độc, khí cháy nổ, bụi mỏ đến mức độ an toàn theo quy định

Giáo trình nâng cao hiệu quả thông gió thoát nướckhi khai thác xuống sâu được biên soạn theo Đề cương môn học của Ngành Khai thác mỏ dành cho học viên cao học được Khoa Mỏ và Công trình, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh thông qua .Trong quá trình biên soạn, giáo trình đã tham khảo và chọn lọc tài liệu từ các sách và giáo trình trong lĩnh vực thông gió thoát nướcchuyên ngành khai thác mỏ của các trường Đại học, Viện nghiên cứu khoa học, cũng như hệ thống Quy chuẩn, Quy phạm trong và ngoài nước nhằm giúp các học viên nâng cao được lý luận và thực tiễn về lĩnh vực này

Giáo trình nâng cao hiệu quả thông gió thoát nướckhi khai thác xuống sâu không chỉ là tài liệu dành cho học viên cao học ngành khai thác mỏ, mà còn có thể sử dụng để tham khảo cho các kỹ sư ngành khác như: Xây dựng mỏ, Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Kinh tế mỏ,… và cho các nhà khoa học, quản lý mỏ

4

Chương 1 ĐẶC ĐIỂM KHÔNG KHÍ MỎ HẦM LÒ KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU 1.1 Khái quát chung về không khí mỏ

1.1.1 Khí trời

Xung quanh trái đất có bầu khí quyển dày hàng trăm km thành phần của khí quyển là hỗn hợp của nhiều loại khí O2, N2, CO2, khí trơ; khí quyển có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự sống của sinh vật trên trái đất

Nó như tấm lá chắn để ngăn cách các tia bức xạ có hại của vũ trụ;

Là môi trường điều hoà nhiệt độ và nước trên trái đất;

Cung cấp Oxi cho quá trình sống của động vật

Khí trời là một hỗn hợp của nhiều chất khí kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định Thành phần chủ yếu của nó chủ yếu là Nitơ, Oxi và một ít hơi nước Ngoài ra thành phần của khí trời còn có một lượng rất nhỏ các chất khí như cácboníc, các chất khí trơ: Argon, Neon, Kripton, Heli, Ozon, v.v

Không khí khi có chứa hơi nước gọi là không khí ẩm, ngược lại gọi là không khí khô

Thành phần hơi nước trong không khí ẩm có tỷ lệ thay đổi trong một khoảng khá rộng từ 0 đến 3% theo trọng lượng tuỳ theo vùng địa lý và thời gian trong ngày, trong năm

Thành phần các chất khí trong không khí khô tính theo % được giới thiệu ở bảng 1.1 và hình 1.1

Hình 1.1 Thành phần của khí quyển

5

Bảng 1.1 Tỷ lệ % các chất khí trong không khí khô

Tên các chất khí Ký hiệu hoá

học

Tỷ lệ % theo

Thể tích Trọng lượng

1.1.2 Không khí mỏ

Không khí mỏ là hỗn hợp cơ học giữa khí trời và các loại khí độc, khí cháy nổ, bụi sinh ra trong quá trình khai thác mỏ Về thực chất không khí mỏ là khí trời nhưng khi đi vào mỏ bị thay đổi về thành phần và hàm lượng

- Sự thay đổi về thành phần: Do xuất hiện các loại khí độc, khí cháy, bụi mỏ và một số chất khí khác

- Sự thay đổi về hàm lượng: Hàm lượng O2 giảm; khí CO2,, khí độc, khí cháy tăng Hay cũng có thể nói không khí mỏ là hỗn hợp các chất khí và hơi nước chứa đầy các moong ở mỏ lộ thiên và chứa đầy các đường lò ở mỏ hầm lò, đồng thời bao giờ cũng chứa một lượng bụi nhất định

Không khí mỏ lộ thiên chính là khí trời ở các mỏ lộ thiên, song thành phần của

nó đã có hàng loạt sự thay đổi, cụ thể là thoát ra nhiều chất khí cháy và độc

Còn không khí ở mỏ hầm lò chính là khí trời từ mặt đất đi vào mỏ qua các đường lò sẽ bị thay đổi hàng loạt các tính chất lý hoá Nói chung hàm lượng O2 giảm

đi, còn CO2 và N2 tăng lên, đồng thời có sự xuất hiện nhiều chất khí mới, lượng bụi cũng tăng lên

6

Ở các mỏ hầm lò các chất khí mới thoát ra bao gồm:

- Các khí độc: Các Oxit nitơ (NO, NO2, N2O3, N2O5 ), amôniac (NH3), Sunfuaro (SO2); Oxitcacbon (CO) và Sunfuahiđro (H2S), hơi Asen, thuỷ ngân, các aldehyde, akrolein, cianua hidro

- Các khí nổ: Oxitcacbon (CO), Sunfuahidro (H2S), Metan, Hidro (H2) và Cacbuahidro

- Các khí có tính phóng xạ: Radông ( Rn) và Thôrom (Th)

Các luồng không khí trong mỏ được phân thành hai loại:

- Luồng không khí sạch, khi thành phần của nó gần với thành phần khí trời

- Luồng không khí bẩn, khi thành phần của nó khác với thành phần khí trời

Luồng không khí bẩn có thể là:

- Luồng không khí có hại, khi hàm lượng của N2 và CO2 tăng lên còn O2 giảm đi

- Luồng không khí độc, khi hàm lượng của các oxitcacbon (CO), sunfuahidro (H2S), các oxit nitơ, sunfuarơ, cacbonic, v.v tăng lên

- Luồng không khí cháy nổ, khí chứa nhiều các khí nổ khác nhau: CH4, C2H6,

H2, CO, v.v

- Luồng không khí chứa bụi

1.1.2.1 Thành phần chủ yếu của không khí mỏ

1 Oxi (O 2 )

Oxi chiếm 20,95% thể tích khí trời, là một chất khí không màu, không mùi và không vị, với trọng lượng phân tử là 32, trọng lượng riêng là 1,106g/cm3 (so với không khí ), Oxi hòa tan trong nước kém (5% theo thể tích khi nhiệt độ 00C), duy trì sự cháy

và sự thở

Oxi có nhiệt độ nóng chảy ở - 2190C, nhiệt độ sôi ở -1830C Ở trạng thái tự do, Oxi có trong không khí, khí quyển và trong nước tự nhiên

Oxi là một nguyên tố hoạt động mạnh, nó có khả năng kết hợp trực tiếp hoặc gián tiếp với tất cả các nguyên tố khác, trừ các khí hiếm, tạo nên hiện tượng oxi hóa

Các nguyên nhân làm giảm hàm lượng Oxi trong không khí mỏ bao gồm:

- Quá trình Oxi hoá từ từ của than, gỗ, các chất hữu cơ và vô cơ, do cháy mỏ, nổ khí, nổ bụi;

7

- Sự thoát khí tự nhiên của CH4, CO2, N2, H2S, SO2, v.v…;

- Quá trình nổ mìn, hoạt động của các động cơ đốt trong;

- Sự hô hấp của con người và sinh vật;

- Sự hoà tan Oxi trong nước mỏ

Oxi rất cần thiết để duy trì hoạt động sống của con người, nếu hàm lượng O2

18% con người làm việc trong điều kiện thiếu Oxi Khi hàm lượng O2 = 12% con người phải thở gấp Khi hàm lượng O2 = 9% con người bị ngất và có thể chết Nếu hàm lượng O2 = 1  3% con người bị chết ngay

Tiêu chuẩn quy định theo luật an toàn của nhiều nước về hàm lượng Oxi trong không khí mỏ hầm lò từ 19 đến 20% Ở Việt Nam theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01:2011/BCT thì hàm lượng Oxi trong không khí ở các đường lò có và sẽ có người tối thiểu là 20% theo thể tích

2 Nitơ (N 2 )

Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích khí trời, là một chất khí không màu, không mùi

và không vị, với trọng lượng phân tử là 28, trọng lượng riêng là 0,97g/cm3 Nhiệt độ sôi là -95,70C và nhiệt độ nóng chảy là -237,80C

Nitơ là một chất khí trơ về mặt hoá học và sinh lý học, không duy trì sự thở và

sự cháy, đồng thời có tác dụng làm giảm tính nổ của Metan (ví dụ một hỗn hợp khí có 10% CH4 và 90%N2 thì không thể nổ)

Những nguyên nhân chính làm tăng hàm lượng nitơ trong không khí mỏ là:

- Sự phân huỷ các chất hữu cơ

- Sự phân huỷ các chất vô cơ (ví dụ khi nổ hoàn toàn 1 kg thuốc nổ Đinamit sẽ sinh ra 640 lít khí, trong đó có 135 lít N2)

- Sự thoát khí ở trạng thái tự nhiên qua các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sàng

3 Cacbonic (CO 2 )

Là một khí không màu, không mùi, vị hơi chua, có tính axit yếu, với trọng lượng

phân tử là 44 và trọng lượng riêng là 1,52g/cm 3 (vì vậy thường tập trung ở nền lò) Là

một khí hoà tan nhiều trong nước, khí cacbonic không cháy và không duy trì sự cháy, có

tác dụng kích thích niêm mạc của mắt, mũi và mồm, độc ở mức độ thấp

8

% CO 2 (theo thể tích) Tác dụng sinh lý

Những nguyên nhân làm tăng CO2 trong không khí mỏ bao gồm:

- Các quá trình phân huỷ chất hữu cơ và vô cơ, sự Oxi hoá từ từ của than, sự phân huỷ của cácbonat;

- Sự thoát khí CO2 tự nhiên từ các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sàng, từ nước trong mỏ;

- Những quá trình cháy nổ (cháy mỏ, nổ mìn, nổ khí và nổ bụi);

- Sự hô hấp của con người và sinh vật;

- Sự hoạt động của các động cơ đốt trong

Sự thoát khí CO2 từ đất đá và khoáng sàng, qua các khe nứt và lỗ hổng, có thể với cường độ nhỏ hoặc cường độ lớn (ví dụ như ở các mỏ Gard ở Pháp, Silezi ở Balan, trong một số mỏ muối ở Cộng hoà dân chủ Đức cũ)

Ở một số mỏ than hầm lò trên thế giới đã xảy ra sự phụt khí cacbonic Trên cơ

sở lượng khí CO2 thoát ra tính cho 1 tấn than khai thác trong 24h (độ thoát khí cacbonic tương đối) người ta đã phân các mỏ than ra theo các hạng sau:

Loại I : Cho đến 5 m3CO2/tấn;

Loại II : 5 – 10 m3CO2/tấn;

Loại III : 10 – 15 m3/tấn;

Siêu hạng > 15 m3 CO2/tấn

1.1.2.2 Các loại khí độc, hại sinh ra trong quá trình khai thác mỏ hầm lò

1 Oxit cacbon (CO)

Là chất khí không màu, không mùi vị, trọng lượng riêng là 0,97g/cm3, trọng lượng phân tử là 28, nhiệt độ sôi là - 1900C, nhiệt độ nóng chảy là - 2070C, hoà tan trong nước

9

Oxit cacbon là một chất khí cháy và nổ, hàm lượng oxit cacbon trong hỗn hợp không khí trong khoảng 12,5 – 75% sẽ tạo nên hỗn hợp nổ và nổ mạnh nhất khi hàm lượng là 30% Nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nổ này là 630 – 8100C, với ngọn lửa màu xám xanh và phản ứng diễn ra như sau:

Oxit cacbon là một chất khí độc, tác dụng của nó đối với cơ thể biểu hiện ở việc hoá hợp với hemoglobin của máu, ngăn cản vai trò hoạt động sinh lý của máu trong việc vận chuyển Oxi từ phổi đến các mạch máu nhỏ của cơ thể

Mặt khác, thực tế người ta thấy rằng Hêmôglobin của máu hoá hợp vô cùng dễ dàng với CO và so với Oxi thì gấp 250 – 300 lần Vì vậy khi hít thở không khí CO thì máu đáng lẽ đồng hoá O2, nhưng lại thay bằng CO khi đó chính ra trong máu lưu thông Oxit hemoglobin (Hb + O2 = HbO2) thì lại thay bằng Cacboxit hemoglobin (HbCO) Giữa oxit cacbon và hemoglobin được biểu diễn bằng phương trình sau:

Tình trạng đói O2 bắt đầu khi cơ thể hít thở phải CO và khi máu hoàn toàn bão hòa CO thì con người có thể chết

Phản ứng giữa O2, CO và Hb có thể biểu thị bởi phương trình:

Nghĩa là CO đẩy O2 ra khỏi oxit hemoglobin và ngược lại, O2 thừa có thể đẩy

CO khỏi hợp chất cacboxit hemoglobin

Các nguồn phát sinh CO ở trong không khí mỏ bao gồm:

Cháy mỏ, nổ khí, nổ bụi;

Nổ mìn, sự hoạt động của các động cơ đốt trong;

Quá trình Oxi hoá từ từ của than;

Đôi khi thoát ra từ khoáng sàng và đất đá bao quanh cùng với CH4, CO2

và N2

Hàm lượng CO cho phép của một số nước theo thể tích như sau: Việt Nam: 0,0017% (Theo QCVN 01: 2011/BCT); Rumani, Balan: 0,002%; Nam Mỹ, Đức: 0,01%; Pháp: 0,05%

10

2 Sunfua hidro (H 2 S)

Là một chất khí không màu, mùi trứng thối, vị hơi ngọt, với trọng lượng phân tử

là 34,09, trọng lượng riêng là 1,19g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -830C, còn nhệt độ sôi

là -60,2 0C

H2S là chất khí dễ hoà tan trong nước, là chất khí cháy và nổ Hàm lượng H2S trong không khí từ 4,5% đến 45% sẽ tạo nên hỗn hợp nổ và nhiệt độ bốc cháy là

3700C

Sunfua hidro rất độc, tác dụng lên niêm mạc của mắt và hệ hô hấp Các nguồn làm phát sinh H2S trong mỏ bao gồm:

- Sự mục nát các chất hữu cơ, đặc biệt là gỗ ở các đường lò cũ

- Sự phân huỷ perit và sunfua canxi, v.v…

FeS2 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2S + S CaS + CO2 + H2S = CaCO3 + H2S

- Sự thoát khí tự nhiên từ các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sản, đặc biệt là ở

mỏ muối, mỏ dầu, ở suối nước khoáng

- Do cháy mỏ, nổ mìn

Hàm lượng tối đa cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam là 0,00070%, theo thể tích và 10mg/m3, theo trọng lượng

3 Sunfuaro (SO 2 )

Là chất khí không màu, mùi lưu huỳnh cháy, vị chua, trọng lượng phân tử là 64,07, trọng lượng riêng là 2,22 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -72,70C và nhiệt độ sôi

là-100C Là chất khí dễ hoà tan trong nước, rất độc, ăn mòn mạnh màng niêm mạc của mắt

và hệ hô hấp Nhờ có mùi đặc biệt cho nên SO2 dễ phát hiện ngay cả khi hàm lượng của nó trong không khí mỏ chỉ bằng 0,0005%, theo thể tích

Các nguồn phát sinh SO2 trong bao gồm:

- Cháy mỏ;

- Nổ mìn, nhất là nổ mìn trong đá hoặc trong quặng có chứa S;

- Sự thoát khí tự nhiên cùng với một số khí khác

Hàm lượng SO2 cho phép trong không khí mỏ, theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam là 0,00038%, theo thể tích và 10g/m3, theo trọng lượng

11

4 Các Oxit nitơ

Nitơ kết hợp với Oxi để tạo ra các Oxit sau: NO, N2O, NO2, N2O4, N2O3 và

N2O5 Trong số các Oxit nitơ, NO2 và N2O4 là những Oxit thường gặp trong không khí nổ

Đioxit nitơ (NO2) là chất khí có màu vàng, trọng lượng phân tử là 64,01, trọng lượng riêng là 1,59g/cm3, nhiệt độ sôi là -21,20C, nhiệt độ nóng chảy là -100C

TetraOxit nitơ (N2O4) có trọng lượng phân tử là 92,02, trọng lượng riêng là là 3,18g/cm3 Khi nhiệt độ tăng lên thì têtraxit nitơ chuyển thành Đioxit nitơ

Tất cả các Oxit nitơ đều rất độc (trừ N2O), chúng kích thích màng miêm mạc của mắt và các cơ quan hô hấp Đặc biệt là khi hàm lượng của Oxit nitơ là 0,025% theo thể tích (0,5mg/lít) thì con người dễ dàng tử vong

Nguyên nhân chủ yếu phát sinh các ôxýt nitơ trong không khí mỏ là do nổ mìn

5.Hidro (H 2 )

Là một khí không màu, không mùi, không vị, về mặt sinh lý là một khí trơ, rất nhẹ, trọng lượng riêng là 0,09g/cm3, nhiệt độ sôi là -252,80C, nhiệt độ nóng chảy

là -259,20C Là một khí cháy và nổ khi hàm lượng của nó trong không khí là 4% ÷ 74% sẽ là hỗn hợp nổ, nhiệt độ bốc cháy của Hidro là 100 ÷ 2000C

Hyđrô thoát hiện ở các mỏ than nâu và than gầy, ở các mỏ muối kali Nó có thể tìm thấy ở đất đá xung quanh đường lò, cũng như ở trong than và thoát ra dưới dạng xì, đôi khi thoát ra cùng với Metan, khí cacbonic, nitơ.v.v

Ngoài ra Hidro thoát hiện trong không khí mỏ còn do việc nạp ác quy và nổ mìn Hàm lượng H2 cho phép trong không khí mỏ là 0,5% theo thể tích

6 Amoniac (NH 3 )

Là một chất khí không màu, có mùi khai, trọng lượng phân tử là 17,03; trọng lượng riêng là 0,596g/cm3

, nhiệt độ nóng chảy là -77,70C, nhiệt độ sôi là -33,30C NH3

dễ hoà tan trong nước, là khí độc, kích thích màng niêm mạc của mắt mũi, hệ thống hô hấp và da

Amoniac sinh ra trong mỏ là do nổ mìn Hàm lượng cho phép trong không khí

mỏ là 0,0025% theo thể tích hay 0,02g/lít

7 Akrolein (CH 2 CHCOH)

Là một chất khí không màu, trọng lượng riêng là 1,9g/m3, dễ hoà tan trong nước Là chất khí độc phân huỷ màng viêm mạc của hệ hô hấp, khi hít phải nồng độ 0,014% sẽ nguy hiểm đối với con người

12

Nguyên nhân phát sinh ra Akrolein là do sự hoạt động của động cơ đốt trong ở điều kiện nhiệt độ cao Hàm lượng tối đa cho phép trong không khí mỏ là 0,00008%

8 Các Aldehid

Các khí aldehiđ bao gồm: axetandehid (CH3COH), benzandehid (C6O5COH), fomandehid (HCOH), Cloral (CCl3COH), v.v Phát sinh ra do hoạt động của các động

cơ đốt trong

Tất cả các aldehid đều độc, phân huỷ màng miên mạc của hệ hô hấp Nguy hiểm nhất trong số các aldehid là formandehid, với trọng lượng riêng là 1,04g/cm3, dễ hoà tan trong nước

Hàm lượng tối đa cho phép trong không khí mỏ là 0,00037%

9 Các hơi Asen (As), thuỷ ngân (Hg), Hidro xyanua (HCN)

Là các khí độc, hiếm và sinh ra do nổ mìn khi khai thác quặng

10 Axetylen (C 2 H 2 )

Là một chất cháy nổ khi hỗn hợp với không khí Nó sinh ra trong không khí mỏ

là do nổ mìn

11 Các khí phóng xạ

Ở các mỏ khai thác quặng người ta có thể gặp các khí phóng xạ như Radon (Rn), Thoron (Th) và Actinon (An) Khi khai thác quặng uran, thường thoát ra khí có tính phóng xạ là Radon Khí Radon phát sinh do sự phân huỷ Uran và có chu kỳ bán rã

là 3,8 ngày Nó là một chất khí không màu, không mùi và không vị

Hàm lượng Radon tối đa cho phép bởi Hội đồng bảo hiểm quốc tế về chống phóng xạ ion, ở nơi làm việc liên tục 24 tiếng là 10-10curi/lít không khí

Cũng như Radon, Thorom thoát ra ở mỏ khai thác quặng, nó chính là sản phẩm phân huỷ của Thori và có chu kỳ bán rã là 54 giây Các tính chất của Thorom cũng giống như Radon và hàm lượng tối đa cho phép trong không khí mỏ theo Hội đồng bảo hiểm quốc tế về chống phóng xạ ion giống như đối với Radon

1.1.2.3 Khí cháy, nổ Metan trong các mỏ than hầm lò

1 Tính chất hóa lý của khí Metan

Metan là một chất khí đơn giản nhất trong số các khí thuộc cacbuahidro no