nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí mêtan ở mỏ than hầm lò vùng mạo khê tóm tắt luận án

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.. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượn

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

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Trần Đình Kiên

2 TS Nguyễn Xuân Thảo Phản biện 1: PGS TS Trương Biên

Phản biện 2: TS Khướu Hữu Bộ

Phản biện 3: TS Nguyễn Xuân Hòa

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại trường Đại học Mỏ - Địa chất, Từ Liêm, Hà Nội

Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Hà Nội

hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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

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

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 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

RPD-130SL-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 138 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

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

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 và phương pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò

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

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

CHƯƠNG 2

ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VÀ TIỀM TÀNG KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 2.1 Đặc điểm địa chất và tính chất cơ lý đá

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 phân chia thành hai khối Nam Bắc rõ rệt bởi đứt gẫy

FA [15]

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

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

2.2 Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê

Các vỉa than ở mỏ Mạo Khê đều thuộc loại than biến chất cao; màu sắc của than biến đổi từ màu đen đến màu đen xám Than tương

đối rắn chắc, độ cứng của than theo cấp độ khoan từ III-V; độ cứng theo cấp độ f thường lớn hơn 2; khối lượng riêng 1,55 – 1,70 g/cm3 Khoáng vật thường gặp trong mẫu than là sét arghilit, oxit silic

2.3 Hiện trạng khai thác than và tình trạng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

2.3.1 Hiện trạng khai thác than ở mỏ Mạo Khê

HiÖn nay, má than M¹o Khª ®ang tiÕn hµnh khai th¸c ë c¸nh B¾c gåm c¸c vØa 9b T©y, møc -80/-25; V8 T©y, møc -80/+30; V8 § møc -150/-80, V7§.TR, møc -80/-25; V7 T møc -80/-25; V6 T møc -80/-25; V6 §.V møc -80/-25; V6§.TR møc -80/-25; V6§.MR møc -80/-25

ë c¸nh Nam gåm vØa 8 CN– §N II, møc – 80/ LV; V.8

CN-§N I, møc – 80/+25

2.3.2 Đặc điểm về khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

Theo kết quả nghiên cứu của các chuyên gia trong và ngoài nước [1, 4, 12, 22, 24, 35, 36], tuỳ theo từng điều kiện tạo thành của

mỏ mà khí tồn tại trong vỉa than và đá vách được chia thành các dạng như sau:

- Khí tồn tại ở dạng tự do trong các khe nứt, lỗ hổng của vỉa than và đất đá bao quanh vỉa

- Khí tồn tại ở dạng bám dính, liên kết hóa lý bền vững và thường tách ra khỏi than khi có ngoại lực tác động như đập, nghiền,v.v

- Khí tồn tại lẫn trong nước ở các vỉa than trong các tầng đá ngậm nước, chứa nước

2.3.3 C¸c gi¶i ph¸p an toµn phßng ngõa khÝ mªtan xuÊt hiÖn trong lß

Trong giai đoạn hiện nay, song song với việc áp dụng hệ thống hợp lý thông gió, mỏ Mạo Khê đã và đang nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan từ các vỉa than, hoặc từ các khu vực chứa khí Mêtan, khí độc khác

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 3.1 Đặc điểm công nghệ khoan ngang

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

Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang Tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan xác định theo công thức sau:

trong đó: P k - tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan, N; P0 - tải trọng tối đa cho phép của đầu máy khoan và phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của máy khoan, N; P c - trọng lượng cần khoan, N;

3.1.2 Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang

o

Hình 3.4 Hiện tượng cong lỗ khoan

3.1.3 Các dạng phức tạp trong khoan ngang

Nói chung, các dạng phức tạp trong khoan ngang cũng tương

tự như trong khoan thẳng đứng

Thực tế cho thấy trong lỗ khoan ngang không tồn tại cột nước rửa, và rất ít trường hợp sử dung dịch sét để khoan Vì vậy, dọc thành lỗ khoan ở phía trên luôn luôn có xu hướng bị sập lở

Ở trạng thái tĩnh, phần trên của thành lỗ khoan ngang ở chiều sâu Z, cách tâm lỗ khoan một khoảng cách r (hình 3.9) và chịu các lực tác dụng:

lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ

Hình 3.9 Trạng thái khối đá bao quay thành trên lỗ khoan ngang

Giá trị hệ số  thay đổi tùy theo từng loại đá, đối với sét từ 0,35 - 0,40; cát kết từ 0,15 – 0,20; đá cacbonát từ 0,25 – 0,30

Trong các lỗ khoan ngang, các rãnh phụ và hang hốc thường xuất hiện ở thành dưới lỗ khoan đặc biệt khi khoan qua các địa tầng liên kết yếu như các tầng sét-acgilit, các vỉa than Nguyên nhân chính

là do trọng lượng cột cần luôn luôn có xu hướng tỳ lên thành dưới thành lỗ khoan kết hợp với nhiều lần kéo thả bộ dụng cụ khoan Sơ

đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan mô tả ở hình 3.10

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

3.2.1 Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

Căn cứ vào nhiệm vụ kế hoạch khai thác vỉa than 9Đ và tiềm năng khí Mêtan trong vỉa than sẽ bố trí các lỗ khoan ngang dài trên vách lò chợ để tháo khí trước khi khai thác Lỗ khoan được bố trí tại khám khoan cách gương lò chợ sẽ khai thác 350m (hình 3.12) Trong khám khoan sẽ bố trí các lỗ khoan hình dải quạt hướng về phía gương lò chợ Lỗ khoan thứ nhất hợp với trục lò gió thải một góc

300; lỗ khoan thứ hai hợp với lỗ khoan thứ nhất một góc 150 Các lỗ khoan bố trí như vậy sẽ thu hồi khí ở vỉa than và đá vách trước khi khai thác và ở khoảng không gian lò chợ đã phá hoả đánh sập sau khi

a

1

2

Hình 3.10 Sơ đồ tạo rãnh phụ trong

lỗ khoan ngang Hình 3.11 Sơ đồ tác dụng cần khoan với thành dưới của lỗ khoan ngang

trong quá trình khoan

khai thác Vị trí và cấu trúc lỗ khoan ngang tháo khí ở than 9Đ mức

-80 xem hình 3.12 và hình 3.13

Hình 3.12 Vị trí lỗ khoan tháo khí ở khu vực lò chợ vỉa 9Đ

chuẩn bị khai thác

Hình 3.13 Cấu trúc lỗ khoan ngang thu hồi khí tại vỉa 9Đ

Số lƣợng lỗ khoan n tại khu vực khai thác xác định theo công thức:

MT

Q

Q

n (3.19)

Q - Trữ lƣợng khí trong khu vực khai thác lò chợ;

QMT - khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác,

m3/tháng

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

3.2.2.1 Các quan điểm về lựa chọn công nghệ khoan hợp lý

3.2.2.2 Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học khoan trên cơ sở tiêu hao năng lượng phá huỷ đá

Theo quan điểm này, muốn tăng tốc độ cơ học cần: tăng năng lượng phá huỷ đá bằng cách tăng tốc độ quay cột cần khoan và tải trọng chiều trục lên mũi khoan; giảm năng lượng phá huỷ đá bằng cách sử dụng cấu trúc mũi khoan hợp lý và chế độ công nghệ khoan phù hợp với tính chất cơ lý đá; giảm diện tích tiết diện đáy lỗ khoan bằng cách khoan các lỗ khoan đường kính nhỏ

3.2.2.3 Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học trên cơ sở cơ lựa chọn các thông số chế độ khoan hợp lý

Theo quan điểm này, tốc độ cơ học khoan được xác định bởi các thông số chế độ khoan: tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần khoan; lưu lượng nước rửa; tính chất cơ lý đá và đặc tính kỹ thuật của mũi khoan

3.2.3 Lựa chọn phương pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

3.2.3.1 Lựa chọn phương pháp khoan

Căn cứ vào đặc điểm công nghệ khoan ngang và yêu cầu tháo khí hiện tại ở mỏ Mạo Khê; đề tài đã lựa chọn phương pháp khoan xoay - đập để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê Thiết bị khoan là thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W

do hãng Koken Nhật Bản sản xuất; dụng cụ khoan là bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89

3.2.3.2 Lựa chọn chế độ công nghệ khoan