Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê

Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Nguyễn Trần Tuân

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ

ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ

VÙNG MẠO KHÊ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Nguyễn Trần Tuân

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ

ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ

1 PGS.TS Trần Đình Kiên

2 TS Nguyễn Xuân Thảo

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả luận án

1.2 Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới 9

1.2.1 Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 9

1.2.2 Phương pháp tháo và thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm

1.2.3 Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo và thu hồi khí Mêtan trong hầm lò 17

1.3 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC ẢNH HƯỞNG TỚI CÔNG TÁC KHOAN VÀ TÌNH TRẠNG

2.2 Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê 29 2.3 Hiện trạng khai thác than và tình trạng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 30

2.3.2 Đặc điểm tiềm tàng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 34

2.3.3 Các giải pháp an toàn phòng ngừa khí Mêtan xuất hiện trong lò 38

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN

3.1.1 Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá 41

3.2 Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan ở

3.2.1 Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51

3.2.2 Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê 55

3.2.3 Lựa chọn phương pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP KHOAN XOAY

- ĐẬP ĐỂ KHOAN CÁC LỖ KHOAN NGANG THÁO KHÍ MÊTAN Ở

4.2 Kết quả nghiên cứu thử nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố chế độ công

4.3 Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý 79 4.4 Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức -80

103

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

API: Viện dầu khí Mỹ

Kotb: Hệ số thu hồi khí Mêtan từ lỗ khoan

L: Chiều dài lỗ khoan, m

Pđ: Tải trọng chiều trục do năng lượng đập trong khoan xoay đập, kW

PO: Tải trọng chiều trục trong khoan xoay, kN

Ps: Độ cứng của đá, MPa

q: Trọng lượng riêng một mét cần khoan, N/m

Q: Lưu lượng nước rửa, l/ph

Qo: Lượng khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan, kg/s

QMK: Khối lượng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác, m3/tháng TKV: Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

T IIIA: Tuyến III A

T: Hướng Tây

V.9: Vỉa than thứ 9

Vimsat: Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin

Vm: Vận tốc cơ học khoan, m/h

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cỏc vụ tai nạn điển hỡnh liờn quan tới nổ khớ Mờtan ở cỏc mỏ than

Bảng 2.1 Mức độ phong húa, nứt nẻ đỏ ở mỏ Mạo Khờ 25 Bảng 2.2 Tính chất cơ lý đặc tr-ng cho các loại đá ở mỏ than hầm lò Mạo

Bảng 2.3 Cụng suất khai thỏc của mỏ Mạo Khờ từ năm 2010 đến năm 2015 32 Bảng 2.4 Độ chứa khớ và trữ lượng khớ ở mỏ than Mạo Khờ theo chiều sõu 35 Bảng 2.5 Kết qủa quan trắc thực tế và dự bỏo lượng khớ Mờtan thoỏt ra từ lũ

Bảng 3.1 Cỏc thụng số chế độ khoan xoay - đập 64 Bảng 4.1 Đặc tớnh kỹ thuật của thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W

Bảng 4.2 Đặc tớnh kỹ thuật bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89 70 Bảng 4.3 Mức độ ảnh hưởng của cỏc thụng số chế độ khoan tới tốc độ cơ học trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 72 Bảng 4.4 Mức độ ảnh hưởng của tốc độ quay cột cần khoan tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-

89 trong đỏ cỏt kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; tải trọng chiều trục Po= 9000 - 13000N; Q= 45-50l/ph; dung dịch khoan - nước ló 73 Bảng 4.5 Mức độ ảnh hưởng của tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong

đỏ cỏt kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; Q= 45-50l/ph; dung dịch khoan - nước ló 74 Bảng 4.6 Mức độ ảnh hưởng của lưu lượng nước rửa tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong

đỏ cỏt kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80 - 200v/ph; Po=9000-13000N; dung dịch khoan - nước ló 75 Bảng 4.7 Mức độ ảnh hưởng của tốc độ quay cột cần khoan tới tốc độ cơ

học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML

PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000 -3000MPa; tải trọng chiều trục

Po= 6000- 7000N; Q=50-60l/ph; dung dịch khoan - nước lã 76 Bảng 4.8 Mức độ ảnh hưởng của tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000 -3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; Q= 50 -60l/ph; dung dịch khoan - nước lã 77 Bảng 4.9 Mức độ ảnh hưởng của lưu lượng nước rửa tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL và bộ OML PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000-3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; tải trọng chiều trục P o = 6000- 7000N; dung dịch khoan - nước lã 78 Bảng 4.10 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lượng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS=2000-3000MPa 81 Bảng 4.11 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lượng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa; nđ =

Bảng 4.12 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lượng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa; nđ =

Bảng 4.13 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lượng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P S = 2000-3000MPa; nđ =

Bảng 4.14 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lượng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000 MPa 89

Bảng 4.15 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-

F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; nđ -

Hình 1.5 Mô hình khai thác khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 13 Hình 1.6 Khai thác khí Mêtan ở Nga bằng thiết bị hút gật gù 13 Hình 1.7 Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở khu vực đã phá hoả sau

Hình1.8 Các lỗ khoan ngang tháo khí trước khi khai thác 16 Hình 1.9 Các lỗ khoan ngang tháo khí bố trí theo dạng dải quạt ở gương lò

Hình 1.10 Mô hình sơ đồ tổng thể các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò 17

Hình 1.12 Bản đồ phân bổ khí Mêtan ở vùng than Quảng Ninh 20 Hình 1.13 Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở mỏ than Khe Chàm 22 Hình 1.14 Sơ đồ bố trí các cụm lỗ khoan tháo khí ở mỏ than Khe Chàm 22 Hình 2.1 Khe nứt thể hiện trên bề mặt mẫu than ở mỏ Mạo Khê 30 Hình 2.2 Hiện trạng khai thác khu vực cánh Bắc, mức -80 mỏ than Mạo

Hình 2.3 Hiện trạng khai thác cánh Nam, mức -80 mỏ than Mạo Khê 33 Hình 2.4 Bản đồ hiện trạng khai thác mức -150 mỏ than Mạo Khê 33 Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang 42 Hình 3.2 Sự phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục vào chiều dài lỗ khoan

Hình 3.3 Sơ đồ lực tác dụng lên thành lỗ khoan ngang 44 Hình 3.4 Hiện tượng cong lỗ khoan ngang do lệch tâm bộ dụng cụ khoan 46

Hình 3.6 Khả năng lỗ khoan bị lệch hướng khi gặp lớp đá có độ cứng khác

Hình 3.7 Lệch hướng lỗ khoan khi khoan trong vỉa than 47 Hình 3.8 Hình dạng thành trên của lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ 48 Hình 3.9 Trạng thái khối đá bao quanh thành trên lỗ khoan ngang 49 Hình 3.10 Sơ đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan ngang 50 Hình 3.11 Sơ đồ tác dụng cần khoan với thành dưới của lỗ khoan ngang

Hình 3.12 Vị trí lỗ khoan tháo khí ở khu vực vỉa 9Đ chuẩn bị khai thác 54 Hình 3.13 Cấu trúc lỗ khoan ngang thu hồi khí tại vỉa 9Đ 54 Hình 3.14 Mô hình phá huỷ đá trong các phương pháp khoan 61

Hình 4.3 Mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ học trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 72 Hình 4.4 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa 82 Hình 4.5 Sự phụ thuộc năng lượng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-

Hình 4.8 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-

Hình 4.18 Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000

Hình 4.19 Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS=

Hình 4.20 So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

có độ cứng P s = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N 98 Hình 4.21 So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

có độ cứng Ps = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N 98 Hình 4.22 So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N 100 Hình 4.23 So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N 100 Hình 4.24 Một số hình ảnh mẫu khoan trong tầng argilit than (a), sét than (b) và bởi rời liên kết yếu bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 103 Hình 4.25 Hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng gió thải lò chợ vỉa 9Đ

Hình 4.26 Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ vỉa 9Đ mỏ than Mạo Khê 105

Më ®Çu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ than của các ngành công nghiệp Việt Nam, trong những năm qua, sản lượng khai thác than ở các mỏ than vùng Quảng Ninh đã liên tục tăng nhanh Trong tương lai, các mỏ than sẽ phải nâng cao công suất khai thác và phát triển mỏ theo bề rộng và xuống sâu Đối với mỏ than hầm lò, khi khai thác xuống sâu thường gặp nhiều nguy cơ mất an toàn trong khai thác, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí Mêtan

Trong những năm gần đây, một số mỏ vùng Quảng Ninh đã xảy ra các

vụ nổ khí lớn gây thiệt hại đến người và tài sản mỏ như Công ty than Mạo Khê năm 1999 làm thiệt mạng 19 người, hai vụ nổ khí liên tiếp xảy ra tại Xí nghiệp than Khe Chàm II và Xí nghiệp khai thác than 909 năm 2002 làm chết

13 người Tháng 3 năm 2006, tại Công ty than Thống Nhất đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm chết 8 người và gần đây nhất là vụ nổ khí tại Công ty than Khe Chàm ngày 09 tháng 12 năm 2008 làm chết 11 người

Theo Quyết định số 1338/QĐ-BCT ngày 17/03/2009 của Bộ Công Thương về việc xếp loại mỏ theo khí Mêtan thì Mỏ than Mạo Khê được xếp loại mỏ siêu hạng với độ xuất khí Mêtan tương đối là 15,58 m3/T.ngày-đêm Với độ xuất khí như trên, cần phải nghiên cứu và áp dụng các giải pháp tháo

và thu hồi khí Mêtan nhằm phòng ngừa những hiểm họa cháy nổ khí Mêtan, đảm bảo an toàn trong khai thác

Song song với việc áp dụng phương pháp thông gió truyền thống để làm giảm hàm lượng khí Mêtan trong mỏ đến mức an toàn; Mỏ Mạo Khê cũng đã bắt đầu áp dụng phương pháp khoan các lỗ khoan theo các hướng khác nhau để tháo khí Mêtan trong các vỉa than, trong các khu vực đã khai thác và trong đá vách bao quanh khu vực khai thác Thực tế cho thấy, khi khoan các lỗ khoan ngang dài đều cho năng suất thấp và không đạt tới chiều

dài thiết kế; nguyên nhân chủ yếu là do chưa lựa chọn được phương pháp khoan và công nghệ khoan hợp lý, phù hợp với yêu cầu, mục đích tháo khí Mêtan của mỏ Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phương pháp khoan, công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan các lỗ khoan tháo khí ở mỏ Mạo Khê phù hợp với điều kiện địa chất mỏ, điều kiện khai thác ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn khai thác, giảm ô nhiễm môi trường là rất cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn đáp ứng các nhu cầu sản xuất không chỉ riêng mỏ Mạo Khê hiện nay, mà còn cho các mỏ than khai thác hầm lò ở Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp và công nghệ khoan ngang hợp lý

để khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn trong khai thác mỏ Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học và thực tiễn áp dụng cho các mỏ khai thác than hầm lò ở Việt Nam có nhu cầu khoan tháo khí

3 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; công nghệ khoan xoay - đập trong điều kiện địa chất mỏ Mạo Khê; mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ cơ học khoan như tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần của bộ dụng cụ khoan; tần số đập của cơ cấu đập và chi phí năng lượng cho quá trình phá hủy đá trong khoan xoay - đập

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật liên quan tới khoan tháo khí trong hầm

lò trên thế giới và trong nước

Nghiên cứu đặc tính công nghệ khoan ngang và công nghệ khoan xoay - đập bằng ống mẫu luồn để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong các mỏ than khai thác hầm lò

Nghiên cứu thử nghiệm khoan xoay - đập để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong điều kiện thực tế mỏ Mạo Khê

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, lựa chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê và xác định hiệu quả tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan ngang

5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, nghiên cứu, phân tích tài liệu và số liệu liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu đề tài;

- Thử nghiệm trong điều kiện thực tế; quan trắc và thu thập số liệu thực

tế về công nghệ khoan xoay - đập khi khoan ngang tháo khí trong điều kiện

mỏ Mạo Khê;

- Ứng dụng phương pháp toán xác suất thống kê, phân tích và xử lý các

số liệu quan trắc thực tế để lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng công nghệ 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 trong điều kiện mỏ Mạo Khê, không chỉ khắc phục các nhược điểm khi khoan bằng phương pháp khoan xoay, mà còn nâng cao tốc độ cơ học khoan, hiệu quả tháo khí Kết quả nghiên cứu là

cơ sở khoa học, luận chứng để lựa chọn công nghệ khoan tháo khí ở các mỏ than khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh

- Ý nghĩa thực tiễn: lựa chọn các thông số chế độ khoan ngang hợp lý tháo khí ở mỏ Mạo Khê bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác

để nâng cao hiệu quả khoan và tháo khí, đáp ứng kịp thời nhu cầu hiện tại về tháo khí Mêtan của mỏ

7 Điểm mới của luận án

Nghiên cứu đề xuất áp dụng công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò Mạo Khê bằng phương pháp khoan xoay - đập và công nghệ khoan ống mẫu luồn thay thế cho khoan xoay truyền thống Thử nghiệm trong điều kiện sản xuất, lựa chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong điều kiện mỏ Mạo Khê

8 Luận điểm bảo vệ

- 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

- Khoan ngang bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89, 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

9 Cơ sở tài liệu của luận án

Luận án được xây dựng trên cơ sở các tài liệu báo cáo tổng kết thăm dò địa chất của ngành than; các tài liệu khai thác mỏ than của Công ty than Mạo Khê, Tập đoàn Công nghiệp than - Khoáng sản Việt Nam cũng như các Công ty thành viên của Tập đoàn Các tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước liên quan tới nội dung nghiên cứu của đề tài; các bài báo và các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả đăng trong các tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước

10 Khối lượng và cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên cứu, kết luận, kiến nghị, danh mục các công trình khoa học của tác giả đã được công

bố và tài liệu tham khảo Toàn bộ nội dung của luận án được 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

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 trước 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 trường Đại học Mỏ - Địa chất, các cán bộ hướng 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 người 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 !

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ

THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1 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 trường và hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, nếu nhìn nhận dưới 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 Như 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 được hiểm hoạ cháy nổ mỏ và giảm thiểu gây ô nhiễm môi trường

Theo kết quả nghiên cứu của Trường Đại học mỏ Quốc gia Peterburg - Liên bang Nga [34] thì trữ lượng khí Mêtan ở các mỏ than của 40 nước 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

Xankt-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 được trình bày ở bảng 1.1 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

Bảng 1.1 Các vụ tai nạn điển hình liên quan tới nổ khí Mêtan ở các mỏ than

hầm lò của một số nước trên thế giới

người chết Trung Quốc 14-2-2005 Mỏ than Xunzanvanh, giếng

Xankt-Mỹ từ năm 1989 đến năm 2010, khối lượng 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) Hình 1.1 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 nước trên thế giới [34]

Canada Mỹ

Hình 1.1 Thực trạng và dự báo khối lượng thu hồi khí Mêtan

ở một số nước 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 người chết, chiếm 22,9 % trong tổng số người 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 trường đào lò 3 – khu Yên Ngựa thuộc Công ty than Thống Nhất, đã xảy ra một vụ nổ khí Mêtan cướp đi cuộc sống của 8 thợ mỏ Trong những năm gần đây, Tập đoàn đã tăng cường đẩy mạnh các biện pháp về quản lý khí mỏ như trang bị cho các mỏ các thiết bị quan trắc khí, dự báo khí Mêtan ở các gương lò khai thác, khoan tháo khí tiến trước

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

mỏ than khai thác ở chiều sâu từ -150m đến - 200m; trong tương lai không xa

sẽ khai thác tới chiều sâu -300m đến – 400m Sản lượng than khai thác càng tăng, đồng nghĩa với lượng 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 trường khai thác mỏ Theo kết quả đánh giá sơ bộ, với chiều sâu khai thác hiện nay và xuống sâu tới -400m, trữ lượng khí tại 7 khu vực khai thác hầm lò có khoảng 4,68 tỷ m3

tương đương với 3,35 triệu tấn khí Mêtan [3] Đây là các khu vực cần được 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 lượng

Như vậy, việc thu hồi khí Mêtan trong các vỉa than trước 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 trường, mà còn thu hồi được nguồn nhiên liệu giá trị phục vụ cho công nghiệp và dân sinh

1.2 Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới đang tồn tại hai phương pháp cơ bản tháo và thu hồi khí Mêtan từ các vỉa than:

- Phương pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất;

- Phương pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò

1.2.1 Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất

Các lỗ khoan từ trên mặt đất được áp dụng để tháo và thu hồi khí ở các vỉa than trước khi đưa vào khai thác hoặc ở các khu vực lò khai thác cũ, khu vực lò đã phá hoả đánh sập ở phía sau gương khai thác (hình 1.2) Các lỗ khoan từ trên mặt đất để tháo và thu hồi khí là các lỗ khoan thẳng đứng, đường kính lớn; đường kính cuối cùng thường từ 200mm đến 300mm

Hình 1.2 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 lưu lượng khí cần thu hồi và vị trí chiều sâu của vỉa than, vị trí lò khai thác cũ Cấu trúc lỗ khoan thường phức tạp và được 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 nước bề mặt hoặc nước 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 đường kính lớn như thiết bị khoan GY-600; XY-42; LF-70; LF-90C; LF-90D; thiết bị URB - 3AM; thiết bị 1BA-15B; v.v kết hợp với công nghệ khoan phá mẫu bằng choòng chóp

xoay; công nghệ khoan xoay lấy mẫu bằng mũi khoan kim cương nếu cần lấy mẫu đá, mẫu than để nghiên cứu

Hình 1.3 Cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất

1 ống định hướng; 2 ống trung gian; 3 ống chống; 4 ống khai thác; 5 vỉa

than; 6 tầng đệ tứ; 7 sét; 8 cát kết; 9 sạn kết; 10 bột kết

Hình 1.3 mô tả cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất Để tăng khả năng thu hồi khí, các nước trên thế giới [22, 24, 25, 35, 36] đã áp dụng các phương pháp khác nhau như phương pháp tác động cơ học, phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc phương pháp nứt vỉa Phương pháp nứt vỉa

để tạo ra khe nứt, lỗ hổng trong vỉa than làm tăng khả năng thu hồi khí trong

lỗ khoan Phương pháp thu hồi khí từ các lỗ khoan trên bề mặt cho năng suất

từ 50% đến 90% lượng khí chứa trong vỉa than

Phương pháp thu hồi khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất có ưu điểm:

- Có thể thu hồi khí từ 2 đến nhiều vỉa than ở các khoảng chiều sâu khác nhau (Hình 1.4); khí thu hồi thường là khí có độ tinh khiết cao

- Không phụ thuộc vào quá trình khai thác và không đòi hỏi thiết bị khoan, thiết bị thu hồi khí chuyên dùng như trong hầm lò

Bên cạnh đó, phương pháp khoan thu khí từ mặt đất cũng có nhược điểm:

- Giá thành thi công cao;

- Cấu trúc lỗ khoan phức tạp;

- Không phù hợp với các vỉa than ở sâu mà độ thẩm thấu khí thấp, khí thu hồi thường lẫn với chất lỏng kích thích Vì vậy, cần phải tách khí ra khỏi chất lỏng trước khi sử dụng

Hình 1.5 Hình 1.6 mô tả hình ảnh thu hồi khí từ các lỗ khoan trên mặt đất bằng thiết bị bơm gật gù ở Nga [35, 36]

Hình 1.4 Phương pháp thu hồi khí ở các vỉa than trước khi khai thác

bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất

Hình 1.5 Mô hình khai thác khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất

Hình 1.6 Khai thác khí Mêtan ở Nga bằng thiết bị hút gật gù

1.2.2 Phương pháp tháo và thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò

Hiện nay các mỏ than khai thác hầm lò của Mỹ, Ba Lan, Đức, Nam Phi, Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, v.v đều áp dụng phương pháp tháo khí

bằng các lỗ khoan trong hầm lò Các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò có ưu điểm và lợi ích:

- Giá thành thi công các lỗ khoan thấp hơn so với các lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất

- Có thể áp dụng cho các loại mỏ có chiều sâu và điều kiện địa chất khác nhau, mức độ thẩm thấu khí trong các vỉa than khác nhau

Bên cạnh các ưu điểm, phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:

- ít có hiệu quả đối với các vỉa than có độ thẩm thấu khí tự nhiên thấp

- Không gian lắp đặt thiết bị khoan, thiết bị thu hồi khí bị hạn chế bởi điều kiện khai thác

Căn cứ vào mục đích, nhu cầu và vị trí cần tháo khí; các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò được chia thành: các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên, theo hướng ngang và theo hướng xiên xuống Đồng thời cũng tuỳ theo mục đích khai thác, giai đoạn khai thác, các lỗ khoan tháo và thu khí trong hầm lò

có thể chia thành các dạng: tháo và thu hồi khí trước khi khai thác, trong khi khai thác và sau khi khai thác

1.2.2.1 Các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên hoặc xiên xuống

Các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên hoặc xiên xuống được áp

dụng để tháo khí ở các khu vực chứa khí nằm phía trên hoặc phía dưới vỉa than khai thác Các lỗ khoan này thường được khoan từ nóc lò hoặc từ nền lò khai thác Hướng khoan có thể vuông góc hoặc hợp với với mặt phẳng nằm ngang của lò một góc nào đó tuỳ theo vị trí đặt lỗ khoan

Các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên hoặc xiên xuống thường được áp dụng trong các giai đoạn trước khi khai thác và sau khi khai thác

Các lỗ khoan theo hướng xiên lên thường áp dụng để tháo khí Mêtan và các khí đồng hành tích tụ ở khu vực đã khai thác nhằm giảm sự xâm nhập của

B C D A

Than SÐt kÕt

SÐt kÕt SÐt kÕt

Bét kÕt Bét kÕt Bét kÕt

C¸t kÕt C¸t kÕt

khí từ khu vực đó vào khu vực lò đang khai thác Sơ đồ bố trí lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên ở vùng phá hoả sau khi khai thác xem hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ các lỗ khoan theo hướng xiên lên tháo khí

ở khu vực đã phá hoả sau khi khai thác

A - Khu vực đã phá hoả sau khi khai thác; B,C,D – Vị trí các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên ở khu vực phá hoả sau khi khai thác

1.2.2.2 Các lỗ khoan ngang tháo khí

Các lỗ khoan ngang được áp dụng rộng rãi để tháo khí trong hầm lò Vị trí các lỗ khoan ngang được bố trí từ gương lò dọc vỉa than; từ hông lò xuyên vỉa hoặc từ các lò chuẩn bị, các lò vận tải vào những khu vực sẽ khai thác hoặc khu vực lân cận vùng sẽ khai thác

Chiều dài và hướng các lỗ khoan ngang từ các đường lò vào khu vực cần tháo khí được lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện thực tế của khu vực sẽ khai thác Hướng lỗ khoan ngang thường hợp với trục đường lò từ 50

– 100theo phương nằm ngang, chiều dài lỗ khoan từ 300m - 500m Khí được tháo trong khoảng thời gian dài để giảm hàm lượng khí trong các khu vực trước khi tiến hành khai thác

Các lỗ khoan ngang tháo khí tiến trước ở các khu vực sẽ được khai thác thường bố trí ở lò vận tải hoặc ở các lò xuyên vỉa, khoan vào khu vực phía

Hướng khai thác

trước theo hướng gương lò khai thác (hình 1.8) Các lỗ khoan này có chức năng tháo khí từ các vỉa than trước khi đưa vào khai thác Vị trí, chiều dài lỗ khoan và cấu trúc lỗ khoan được lựa chọn phụ thuộc vào vị trí cần tháo khí, chiều dài khu vực khai thác

Hình1.8 Các lỗ khoan ngang tháo khí trước khi khai thác

1- các lỗ khoan ngang tháo khí ở khu vực sẽ khai thác; 2- các lỗ khoan ngang ở khu vực lân cận vùng khai thác

Chiều dài các lỗ khoan trong hầm lò được chia thành 3 nhóm: Nhóm lỗ khoan ngắn từ 15m - 50m; nhóm lỗ khoan trung bình từ 50m-150m; nhóm lỗ khoan dài từ 150m và lớn hơn Ở các mỏ than hầm lò của Nhật Bản, của Trung Quốc chiều dài các lỗ khoan tháo khí từ 30m - 700m [22, 23] Ở Úc đã khoan các lỗ khoan ngang dài 1500 m dọc theo vỉa than để thu hồi khí Mêtan trong các mỏ than khai thác hầm lò [22]

Các lỗ khoan ngang tháo khí trong quá trình khai thác thường được bố trí theo kiểu dải quạt ở các gương lò khai thác hoặc khu vực lân cận (hình 1.9) Chiều dài các lỗ khoan từ 15m - 30m

Hình 1.9 Các lỗ khoan ngang tháo khí bố trí theo dạng dải quạt

ở gương lò trong quá trình khai thác

Sơ đồ tổng thể bố trí các lỗ khoan tháo khí Mêtan trong hầm lò được

mô tả ở hình 1.10

Hình 1.10 Mô hình sơ đồ tổng thể các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò

1.2.3 Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo và thu hồi khí Mêtan trong hầm

; trong đó: Mỹ 54 tỷ m3, Canađa- 7,5 tỷ m3

; Trung Quốc – 5,8 tỷ m3

và Úc – 5,5 tỷ m3 Phương pháp khoan xoay bằng mũi khoan kim cương, hợp kim, bằng choòng chóp xoay được áp dụng rộng rãi trong khoan tháo khí Mêtan ở các

mỏ khai thác than hầm lò Ở Nhật Bản đã áp dụng rộng rãi phương pháp khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn trong đá vách để tháo và thu hồi khí Mêtan ở các mỏ Taiheiyo, chiều dài lỗ khoan 500m-700m, đường kính khoan

LK xiên xuống

LK theo

hướng xiên

lên

Mạng lưới các LK tháo khí Mêtan Khí Mêtan thoát vào khu vực đã khai thác

Khí Mêtan được thu hồi

LK ngang trong vỉa than

76mm Ở Úc đã khoan các lỗ khoan ngang dài 600m đường kính 93mm qua các tầng đá vách để tháo khí ở các khu vực, các vỉa than trước khi đưa vào khai thác

Ở Úc, Nga và Nhật Bản, khi khoan các lỗ khoan ngang dài 600m-700m

để tháo khí Mêtan trong các vỉa than đã sử dụng các phương tiện kỹ thuật định hướng (Directional Drill Monitor) điều khiển hướng đi của lỗ khoan; sử dụng hệ thống dẫn hướng khoan (Drill Guidance System - DGS) Các hệ thống này cho phép giám sát góc phương vị và điều chỉnh hướng lỗ khoan theo qui đạo thiết kế Mặc dù hệ thống giám sát hướng lỗ khoan có nhiều ưu điểm, song để mở rộng phạm vi áp dụng cần nghiên cứu phương pháp giữ ổn định thành lỗ khoan ngang và thiết lập cơ chế làm việc ổn định của bộ dụng

cụ phù hợp với các điều kiện địa chất và khai thác khác nhau

Thiết bị dùng khoan trong hầm lò là các thiết bị khoan xoay, khoan xoay- đập có nhiều dải tốc độ, có khả năng kết hợp nhiều phương pháp khoan khác nhau trong các loại đá có độ cứng khác nhau Hệ thống truyền áp lực cho dụng cụ phá huỷ đá bằng thuỷ lực hoặc khí nén Đầu máy khoan có khả năng điều chỉnh các hướng khoan khác nhau Động cơ dẫn động cho máy khoan làm việc là các loại động cơ thuỷ lực, động cơ khí nén hoặc động cơ điện phòng nổ

Chế độ công nghệ khoan ngang cũng được lựa chọn tương tự như khoan thẳng đứng Đặc điểm công nghệ khoan ngang là tổn thất tải trọng chiều trục truyền cho dụng cụ phá huỷ đá do tăng trọng lượng cột cần khoan trong quá trình khoan Để khắc phục hiện tượng này, tuỳ theo điều kiện địa chất cụ thể và thiết bị khoan, có thể áp dụng phương pháp khoan xoay – đập bằng cơ cấu đập đỉnh hoặc búa đập tại đáy

1 2 3 1 5

Cấu trúc lỗ khoan tháo khí trong hầm lò được lựa chọn phụ thuộc vào

vị trí tháo khí, hướng lỗ khoan Nói chung cấu trúc lỗ khoan càng đơn giản càng giảm lượng ống chống lắp đặt trong lỗ khoan

Đối với các lỗ khoan tháo khí lâu dài thường đặt ống lọc thu hồi khí trong toàn bộ thân lỗ khoan (hình 1.11) Ống chống được trám xi măng giữ ổn định thành lỗ khoan và giữ cho khí không bị rò rỉ ra phía bên ngoài ống Miệng ống lắp đặt thiết bị đo kiểm áp suất, van xả và nối với ống dẫn khí lên mặt bằng mỏ

Hình 1.11 Cấu trúc lỗ khoan ngang tháo khí 1- thành lỗ khoan; 2- ống lọc thu khí; 3- ống chống; 4- nút bịt kín miệng ống chống và thành lỗ khoan; 5- van khống chế; 6- thành lò; 7- xi măng trám

1.3 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở Việt Nam

Trước những năm 1985, Liên đoàn Địa chất 9 (nay là Công ty Địa chất Mỏ-Vinacomin) đã nghiên cứu khí Mêtan và các loại khí đồng hành trong các vỉa than Nhiệm vụ nghiên cứu đã tập trung xác định định lượng và định tính của khí Mêtan và các loại khí thiên nhiên có trong các vỉa than ở vùng mỏ Quảng Ninh thông qua mẫu khoan than ở các giai đoạn thăm dò sơ bộ, thăm

dò tỷ mỷ Các kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ nguồn gốc, thành phần và qui luật phân bố khí Mêtan cũng như các loại khí thiên nhiên khác trong trầm tích chứa than ở Quảng Ninh Khí Mêtan là thành phần chủ yếu trong các vỉa

than, hàm lượng biến đổi từ 0% đến 99%, trung bình khoảng 40%; trong đá bao quanh từ 0,5% đến 86,6% Hàm lượng khí Mêtan tăng dần theo chiều sâu và phân bố không đồng đều ở mỏ than vùng Quảng Ninh: Mỏ than Kế Bào thay đổi từ 29% - 90%, trung bình 70% Các mỏ than ở khu vực Hòn Gai- Cẩm Phả từ 0% - 52%, trung bình 50% Ở khu vực Uông Bí - Mạo Khê

từ 2,6% đến 52%, trung bình 30% (hình 1.12)

Hình 1.12 Bản đồ phân bổ khí Mêtan ở vùng Quảng Ninh

Đến năm 2002, với sự trợ giúp của chính phủ Nhật Bản ngành than Việt Nam đã thành lập Trung Tâm An toàn mỏ với mục đích nghiên cứu khí Mêtan, phân loại các mỏ than hầm lò theo mức độ nguy hiểm về khí Mêtan và xây dựng hệ thống kiểm soát khí Mêtan trong các mỏ than hầm lò Năm 2003,

đã quy hoạch tổng thể, phân loại mỏ hầm lò theo mức độ nguy hiểm về khí Mêtan và dự báo trữ lượng khí Mêtan ở một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác tới mức - 400m

Một trong các giải pháp tích cực chủ động để tháo và thu hồi khí Mêtan

ở các mỏ than hầm lò là phương pháp khoan [4, 6] Vì vậy, từ năm 2003 một

số mỏ than hầm lò ở vùng than Quảng Ninh đã tiến hành thử nghiệm khoan

các lỗ khoan tháo khí, lấy mẫu khí để phân tích thành phần và hàm lượng khí Mêtan trong các vỉa than ở các mỏ than khai thác hầm lò Đặc biệt, tại gương

lò vỉa 9Đ cánh Bắc ở mức -80 đã khoan ba lỗ khoan ngang dài 65m-70m trong vỉa than để tháo khí trước khi tiến hành khai thác Các lỗ khoan tháo khí tại gương lò vỉa 9Đ được khoan bằng thiết bị HR-1500 Kết quả quan trắc lượng khí thoát ra từ lỗ khoan cho thấy, trong thời gian 10 ngày đầu lượng khí thoát ra từ lỗ khoan dao động từ 0,15m3/ph đến 0,35m3

/ph; sau đó qua 15 ngày lưu lượng khí chỉ còn 0,001m3/ph đến 0,0012m3

/ph Như vậy, lưu lượng khí thoát ra từ lỗ khoan đã giảm dần theo thời gian Sau 30 ngày quan trắc thì không còn thấy khí thoát ra từ lỗ khoan

Tiếp theo, năm 2004 mỏ Mạo Khê đã khoan thử nghiệm lỗ khoan dài 107m tháo khí trong vỉa than 9T mức -80 Lỗ khoan theo hướng xiên lên 470

so với phương nằm ngang Kết quả quan trắc cho thấy lượng khí thoát ra từ vỉa than trong 5 ngày đầu đạt 0,002m3

/s đến 0,0025m3/s Sau đó 10 ngày, lưu lượng khí thoát ra từ lỗ khoan đã giảm một cách rõ rệt, chỉ đạt 0,0008m3/s đến 0,001m3/s

Các lỗ khoan tháo khí như đã trình bày ở trên chỉ có tính giải quyết tức thời phục vụ cho công tác khai thác, đồng thời cũng là các lỗ khoan thí nghiệm để đánh giá kết quả tháo khí Mêtan bằng hệ thống lỗ khoan Hiện nay,

mỏ Mạo Khê đang nghiên cứu áp dụng các lỗ khoan dài đến 300m - 500m khoan qua đá vách để tháo và thu khí lâu dài trong các vỉa than ở các khu vực chuẩn bị khai thác bằng công nghệ lò chợ cơ giới hoá và chèn lò thuỷ lực

Các thiết bị dùng khoan ở mỏ Mạo Khê là các thiết bị khoan xoay dẫn động bằng động cơ khí nén như thiết bị khoan PPn-2; HR-1500; thiết bị khoan XJ-100; ZIF-300; thiết bị khoan xoay - đập dẫn động bằng động cơ thuỷ lực RPD-75SL Các máy khoan dùng khoan trong hầm lò đòi hỏi phù hợp với kích thước hầm lò, gọn nhẹ, đảm bảo vận chuyển dễ dàng

Năm 2011, tại mỏ than Khe Chàm đã tiến hành khoan các lỗ khoan chùm tháo khí Mêtan theo hướng xiên lên tại lò chợ 13.1.1 vỉa 13.1 (hình 1.13

và hình 1.14) Các lỗ khoan dài 80m được bố trí khoan theo hướng xiên lên từ nóc lò dọc vỉa thông gió qua các tầng đá đến vùng chứa khí để tháo khí trong khoảng không gian đã khai thác

Hình 1.13 Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở mỏ than Khe Chàm

Hình 1.14 Sơ đồ bố trí các cụm lỗ khoan tháo khí ở mỏ than Khe Chàm Các trạm khoan bố trí cách nhau 50m Mỗi trạm gồm 4 lỗ khoan, tổng

số 12 lỗ khoan Kết quả quan trắc cho thấy, hỗn hợp khí thu hồi từ 12 lỗ

khoan tháo khí là 2,8m3/ph (tương đương 4032m3 /ngày-đêm); trong đó hàm lượng khí Mêtan chiếm 46%

Thiết bị dùng khoan là thiết bị khoan xoay của Balan kiểu WDP-1C dẫn động bằng động cơ khí nén; cho phép khoan theo hướng xiên lên bằng đường kính 65mm

Từ các kết quả nghiên cứu của chương 1, ta có một số nhận xét như sau:

1 Phương pháp khoan tháo và thu khí Mêtan trong hầm lò là một trong các phương pháp tích cực, chủ động để ngăn ngừa các sự cố do khí Mêtan gây ra; đồng thời cũng thu được nguồn nguyên liệu dùng làm khí đốt cho công nghiệp và dân sinh Căn cứ vào điều kiện địa chất mỏ, công nghệ khai khai thác và kế hoạch khai thác, các mỏ than có thể lựa chọn các công nghệ khoan khác nhau để tháo khí Mêtan trong hầm lò

2 Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí ở các mỏ than khai thác hầm lò nói chung và ở mỏ than Khe Chàm, Mạo Khê nói riêng mới chỉ ở giai đoạn đầu, chưa có công trình nghiên cứu khoa học nào được công bố Vì vậy, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ hợp lý khoan các lỗ khoan tháo khí phù hợp với điều kiện địa chất ở mỏ Mạo Khê nói riêng

và ở các mỏ than khai thác than hầm lò ở vùng Quảng Ninh nói chung là rất cần thiết, rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2.1.1 Đặc điểm cấu trúc địa tầng

Địa tầng khu mỏ Mạo Khê thuộc địa tầng trầm tích than Quảng Ninh và được chia thành hai khối rõ rệt [15]

2.1.1.1 Địa tầng khối Bắc:

Địa tầng khối Bắc chứa 55 vỉa than trong đó 40 vỉa có trữ lượng công nghiệp và chia thành các tập:

- Tập chứa than dưới (T 3n-r hg 1 2) gồm 22 vỉa than, trong đó có 18 vỉa

than có trữ lượng công nghiệp

- Tập chứa than giữa (T 3n-r hg 2 2 ) phân bố rộng và chiếm phần lớn diện

tích khối Bắc, kéo dài suốt từ Tây sang Đông; chứa 23 vỉa than, trong đó có

19 vỉa có trữ lượng công nghiệp

Các vỉa than ở khối Bắc tương đối thoải, góc dốc trung bình từ 200

đến

250

Trầm tích của tập chứa than dưới và giữa bắt đầu là trầm tích sạn hạt thô hoặc cuội kết,sau đó chuyển dần sang cát kết hạt thô đến hạt mịn, rồi đến bột kết, sét kết, sau cùng là các vỉa than hoặc sét than; quá trình này được lặp

đi lặp lại trong trong địa tầng trầm tích khu mỏ; sạn và cuội kết chiếm 40%, cát kết chiếm 30%, bột kết chiếm 20%, sét kết chiếm 5%, than 5%

- Tập chứa than trên (T 3 n-r hg2 3 ) gồm 10 vỉa than trong đó 4 vỉa có giá

trị trữ lượng công nghiệp

2.1.1.2 Địa tầng khối Nam:

Địa tầng phía Nam chứa 41 vỉa than trong đó 39 vỉa than có giá trị trữ lượng công nghiệp Thành phần địa tầng bao gồm các lớp đá cuội sạn kết chiếm 3,5%, cát kết chiếm 46%, bột kết chiếm 30%, sét kết chiếm 10%, sét than và than chiếm 10%

2.1.2 Đặc điểm kiến tạo và hệ thống đứt gãy

Đặc trưng về kiến tạo khu mỏ là các uốn nếp và phay phá đứt gẫy Toàn bộ khu mỏ gồm 18 đứt gẫy lớn, nhỏ; chủ yếu theo đường phương của vỉa, một số đứt gẫy cắt chéo theo hướng Tây Nam Các đứt gẫy đã phân khu

mỏ thành hai khối có cấu tạo địa chất khác nhau Đất đá trong khu vực phay phá, đứt gẫy bị phá huỷ mạnh; chiều rộng đới phá huỷ khác nhau, trung bình vài chục mét Các khe nứt trong đới phay phá, đứt gẫy và xung quanh đã tạo thành khu vực chứa nước, chứa khí; các kênh dẫn nước, dẫn khí mỏ [8, 15]

Mức độ phay phá, đứt gẫy, nứt nẻ của đá ở mỏ Mạo Khê được chia thành 4 loại từ rất yếu đến rất mạnh; đặc tính phong hoá, nứt nẻ ở mỏ Mạo Khê theo mẫu khoan ở các lỗ khoan thăm dò (bảng 2.1) giảm dần theo chiều sâu [8, 15]

Bảng 2.1 Mức độ phong hoá, nứt nẻ đá ở mỏ Mạo Khê

Theo các kết quả nghiên cứu [8], do ảnh hưởng của kiến tạo, trong các lớp đá hạt thô như cuội kết, cát kết, sạn kết thường tồn tại 3 – 4 hệ khe nứt nguyên sinh Các khe nứt này được hình thành trong quá trình biến động địa chất do tác dụng của lực co giãn, nén ép 3 chiều Một hệ song song theo mặt lớp, hai hệ vuông góc với mặt lớp, trong đó một hệ dọc đường phương và một

hệ dọc hướng dốc tạo nên các khối đá lập phương kích thước nhỏ từ 10cm – 50cm Ngoài ra, trong từng khu vực còn tồn tại các hệ khe nứt kiến tạo Các khe nứt trong khối đá là các kênh vận động của khí Mêtan, các loại khí đồng hành khác xâm nhập vào hầm lò khai thác

Ngoài hệ khe nứt nguyên sinh, trong các đường lò khai thác còn xuất hiện hệ khe nứt do tác động nổ mìn phá huỷ đá trong quá trình khai thác Các khe nứt này tạo thành do lực kéo dãn khi khối đá dịch chuyển biến dạng; các khe nứt thường có kích thước khác nhau và hướng vuông góc với mặt phân

lớp

Hệ thống khe nứt và kích thước khe nứt không những ảnh hưởng lớn tới bền vững của thành lỗ khoan; tới độ bền vững vách lò mà còn tạo thành các kênh dẫn khí, dẫn nước mỏ

2.1.3 Tính chất cơ lý đá

Các kết quả nghiên cứu địa chất cho thấy cấu trúc địa tầng mỏ Mạo Khê cũng tương tự như cấu trúc địa tầng vùng mỏ Quảng Ninh Các nham thạch phân bố theo lớp và chuyển tiếp theo qui luật chung Các lớp sét than, sét kết, bột kết nằm sát vỉa than và tạo thành vách, trụ vỉa than; nằm xa vỉa than là các lớp cát kết, sạn kết, cuội kết

Cuội – sạn kết được phân bố rải rác trong địa tầng thường cách xa vỉa than, đá có màu xám sáng, thành phần hạt thạch anh màu trắng; xi măng gắn kết là sét, silíc Tầng cuội – sạn kết phân lớp không rõ; chiều dày không ổn