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

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PG S.TS ĐẶNG VŨ C H Í

2 TS LÊ VĂN THAO

HÀ NỘI - 2019

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

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

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

5

1.2 Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan ở các

mỏ than hầm lò trên thế giới

13

1.3 Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan ở các

mỏ than hầm lò ở Việt Nam

30

Chương 2 Đặc điểm độ chứa khí mê tan của các vỉa than tại các

mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

36

2.1 Đặc điểm chung về độ chứa khí mê tan trong các vỉa than 36

2.3 Kết quả xác định độ chứa khí mê tan trong vỉa than của các mỏ

than hầm lò vùng Quảng Ninh

43

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

57

Chương 3 Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác

xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Ninh khi khai thác xuống sâu

Chương 4 Đề thoát các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan

cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

02 năm 2011

DANH MUC CÁC BẢNG BIỂU •

r r i / V r 1 *? 1 • Á

Bảng 1.2 Thời gian gây nổ của khí mê tan trong mối tương quan với

hàm lượng khí và nhiệt độ nguồn lửa

9 Bảng 1.3 Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình trên thế giới và hậu quả 11

Bảng 2.1 K ết quả phân tích độ chứa khí metan trong các vỉa than của các

mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

44

Bảng 2.2 K ết quả dự báo độ chứa khí mê tan trong các vỉa than ở một số

mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Bảng 3.8 Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR -150/-80 67

Bảng 3.10 Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ + 40/+ 24 khu I I I vỉa 10 68

Bảng 3.12 Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ +20/-18 khu III vỉa 10 68

Bảng 3.14 Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -20/-46 khu III vỉa 10 69

Bảng 3.16 Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -46/-65 khu III vỉa 10 69

Bảng 3.18 Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -70/-100 khu III vỉa 10 70

Bảng 3.24 Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-4 (-100/-125) 72

Bảng 3.31 Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát

tại mỏ than Khe Chàm 1

77 Bảng 3.32 M ức khai thác một số mỏ than hầm lò qua các năm 2007-2015 83 Bảng 3.33 Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than M ạo Khê 83 Bảng 3.34 Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than H à Lầm 83 Bảng 3.35 Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Khe

Chàm 1

84 Bảng 3.36 Các thông số địa chất kỹ thuật môt số lò chợ mỏ than M ạo Khê 89 Bảng 3.37 Các thông số địa chất kỹ thuật một số lò chợ mỏ than H à Lầm 90 Bảng 3.38 Các thông số địa chất kỹ thuật một số lò chợ mỏ than Khe

Chàm 1

90

Bảng 3.39 Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí

mêtan mỏ than M ạo Khê

90

Bảng 3.40 Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí

mêtan mỏ than H à Lầm

91

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

92

D A N H M U C C Á C H ÌN H V Ẽ , Đ Ồ T H I

m A r 1 1 • Á

Hình 1.3 Quan hệ giữa độ thoát khí mêtan tuyệt đối với sản lượng lò

chợ (Vùngthan Silesia Balan)

Hình 1.6 Đồ thị biến thiên hàm lượng M ê tan theo biểu đồ chu kỳ sản

thoát lò chợ vỉa X XXII mỏ than Brzeszcze

19

H ình 1 7 S ự p h â n b ổ k h í m ê tan trong hệ thống khai thác lò chợ

dài theo p h ư ơ n g với hệ thổng thông gió nghịch

20

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

21

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

21

Hình 1.10 Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác khấu đuổi 22

Hình 1.13 Sự thoát khí từ than đã khấu của vỉa than Bonđurevski

thuộc mỏ Kirov vùng Kuzbas

23

Hình 1.15 Sự tăng hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải ở lò chợ 25 Hình 1.16 Phân bố hàm lượng mêtan trong không gian đã khai thác của lò chợ 26 Hình 1.17 Sự phát triển hàm lượng khí Mêtan trong lò chợ vỉa B, M ỏ Lupeni 26 Hình 2.1 Phân bố độ chứa khí mêtan ở Tây Bắc và miền Trung bể than Silesia 36 Hình 2.2 Phân bố độ chứa khí mê tan ở phía Nam của bể than Silesia 37

H ình 2.5 B iến thiên độ chứa k h í m ê tan trong vỉa than của m ỏ than

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt đối mỏ than Mạo Khê

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

92

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 đ ồ vị tr í lò c h ợ I - 11-5 m ỏ than K he Chàm 1 101

Hình 4.12 Sơ đồ xả khí mêtan ra đường lò thông gió của trạm quạt 115

M Ở 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

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 N inh" 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

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

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.

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 kh í m ê tan

Mêtan (CHị) 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/ m3 , 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 kh í 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, CO2, hơi nước axit hữu cơ dưới dạng chất bốc Người ta thấy rằng vi

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:

2C6H10O5 = 5CH4 + 5CO2 + 2C (1.2) 4C6H10O5 = 7CH4 + CO2 + 3H2O + C9H6O (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

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

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

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

Bảng 1.2 Thời gian ủ nhiệt của khỉ mê tan trong mối tương quan với hàm

lượng khỉ và nhiệt độ nguồn lửa

Ghi chú: s là thời gian tỉnh bằng giây

Dựa vào thời gian ủ nhiệt của khí mê tan người ta chế tạo các loại thuốc

nổ an toàn mà thời gian làm mát của các sản phẩm nổ ngắn hơn thời gian trễ khi nổ của mê tan trên cơ sở làm trễ thời gian này bằng các phụ gia trộn vào thuốc nổ.

1.1.3 Hậu quả của vụ nổ khí mê tan

1.1.3.1 Hiện tượng nổ mêtan

Nổ khí mêtan có thể nổ dây chuyền, nghĩa là nổ đi, nổ lại nhiều lần Hiện tượng này được giải thích như sau: khi nổ mêtan, các chất khí dãn nở rất lớn, làm cho nhiệt độ và áp suất xung quanh tâm nổ tăng lên nhanh chóng, tạo

ra áp suất âm giữa tâm nổ do sự chênh lệch áp suất khí giữa đất đá xung quanh, khí metan dồn về tâm nổ Mêtan là một chất khí linh động, nên dồn về tâm nổ, trên đường đi gặp nhiệt độ từ đợt nổ trước được gió đưa đến sẽ gây nổ lặp Với điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, mêtan lại gây nổ lần thứ hai Hiện tượng nổ như vậy cứ diễn ra cho đến khi hết mêtan, hoặc hàm lượng oxy ở vùng giảm xuống không để gây nổ.

Khi nổ mêtan sẽ sinh ra làn sóng nổ Tốc độ lan truyền của sóng nổ, dọc theo đường lò, lúc đầu tăng theo sự tăng của hàm lượng mêtan trên 5 6%, nhưng sau đó giảm đến bằng không Tốc độ lan truyền này càng lớn nếu như trước khi nỏ, mêtan ở trạng thái di động Trong quá trình lan truyền

của sóng nổ, dọc theo đường lò, nếu gặp phải các vật cản ở đường lò thì tốc

độ làn truyền của sóng nổ càng tăng từ vài chúc mét đến hàng trăn mét trong một giây.

1.1.3.2 Hậu quả nổ kh í mêtan

Khi nổ khí mêtan, ở trên nổ xảy ra hàng loạt quá trình biến đổi lý hóa

Nổ mêtan không có gì khác so với bất kỳ hiện tượng nổ khí nào, vì trong một thời gian hết sức ngắn, do sự cháy thể tích khí ban đầu biến thành một thể tích rất lớn các khí khác Trong thời gian nổ, nhiệt độ không khí tăng lên rất cao,

do phản ứng hóa học giữa mêtan và oxy.

Nhiều công trình nghiên cứu đã cho thấy, khí mêtan nổ trong một môi trường kín, nhiệt độ có thể tới 26500C Trong thực tế mỏ, nhiết độ không vượt quá 18500C Với nhiệt độ này, mọi vật thể đều có thể bị cháy thành tro bụi Ngoài ra nhiệt độ trên còn gây ra cháy làm tăng thêm hậu quả của vụ nổ.

Một hậu quả khác của nổ mêtan là hậu quả cơ học Do tác dụng này mà các toa tầu có thể bị lật đổ, đường tàu bị bẻ gãy, các thiết bị máy móc bị phá hủy, đường ống gió cục bộ, ống dẫn khí nén, máng cào cũng bị phá hủy, ngoài ra còn phá hủy khung chống lò hoặc phá sập đường lò.

Hậu quả lớn nhất của nổ khí mêtan cũng như nổ bụi than là hậu quả hóa học Vì nổ khí mêtan sẽ ta ra một lượng lớn khí CO và với lượng khí này được gió đưa đến các đường lò và các hộ tiêu thụ gió gây tử vong cho người lao động do nhiễm khí độc Mặt khác, khi nổ mêtan, do sự giãn nở của không khí mà bụi than đã lắng đọng ở nền lò hoặc trên các khung chống, bị tung lên hòa lẫn với không khí, có thể đạt đến hàm lượng nổ Và khi ngọn lửa cháy mêtan đốt cháy hỗn hợp bụi than này thì cường độ của vụ nổ sẽ tăng lên, đồng thời làm tăng hàm lượng khí độc.

Qua các tài liệu thống kê về các tác hại của các vụ nổ khí mêtan và bụi

mỏ, người ta thấy răng: khoảng 8-10% số người chết do tác dụng cơ học khoảng, 25% bị chết do tác dụng nhiệt, còn khoảng 65% bị chết do tác dụng hóa học.

Trong các bảng 1.3 và 1.4 giới thiệu một số vụ nổ khí mêtan điển hình

ở các mỏ hầm lò trên thế giới và ở các mỏ than hầm lò ở Việt Nam.

Bảng 1.3 Các vụ cháy nổ khỉ mêtan điển hình trên thế giới và hậu quả

nhân

S ố người chết

4 1922 Aureli vỉa 5 Luperi Ru-ma-ni Nổ khí mêtan 82

Châu Giang Tô Trung Quốc Nổ khí mêtan 92

22 11-2005 Đông Phong-tỉnh

Hắc Long Giang Trung Quốc Nổ khí mêtan 161

24 2005 Hà Tất, tỉnh Hà

Nam, Trung Quốc Trung Quốc Nổ khí mêtan 34

25 2-2005 Thành phố Phúc Tân Trung Quốc Nổ khí mêtan 214

27 4-2006 Tỉnh Thiểm Tây Trung Quốc Nổ khí mêtan 24

29 9-2006 Zasiadko ở Donetsk Ucraina Nổ khí mêtan 13

31 11-2006 Ký Tây, tỉnh Hắc

32 11-2006 Trường Viên- Vân

34 11-2006 Nam Sơn-Sơn tây Trung Quốc Nổ khí mêtan 24

35 2-2007 La Precio-laNorte de

36 5-2007 Bắc Trung Quốc Trung Quốc Nổ khí mêtan 20

38 1-2007 Yile, phía tây nam Trung Quốc Nổ khí mêtan 11

40 3-2007 Yujialing- Shanxi Trung Quốc Nổ khí mêtan 26

41 11-2007 Zasyadko- miền

43 5-2007 Yubileinaya- Siberia Nga Nổ khí mêtan 28

44 12-2007 Rui Zhiyuan-Sơn

45 12-2007 Tỉnh Vân Nam Trung Quốc Nổ khí mêtan 18

46 05-2009 Đồng Hoa -Trùng

47 06-2009 Sawah Lunto- West

48 11-2009 Mỏ miền Đông tỉnh

Hắc Long Giang Trung Quốc Nổ khí mêtan 108

Bảng 1.4 Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình ở Việt Nam và hậu quả

1.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘ THOÁT KHÍ MÊ TAN Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI

1.2.1 Tổng quan tình hình khai thác than hầm lò trên thế giới

1.2.1.1 T rữ lượng than

Theo BP Statistical (2016), trữ lượng xác minh than thế giới được thống kê tại thời điểm cuối năm 2015 vào khoảng 891.531 triệu tấn, gồm than antraxit, bitum là 403.199 triệu tấn (45,2%) Còn than á bitum và than nâu là 488.332 triệu tấn (54,8%).

Trong đó, ở khu vực châu Âu và Eurasia (Liên Xô trước đây): 310.538 triệu tấn (chiếm 34,8%); châu Á - Thái Bình Dương 288.328 triệu tấn (chiếm 32,3%); khu vực Bắc Mỹ 245.088 triệu tấn (chiếm 27,5%); khu vực Trung Đông - châu Phi 32.936 triệu tấn (chiếm 3,7%); Trung - Nam Mỹ 14.641 triệu tấn (chiếm 1,6%).

Trong tổng trữ lượng than khu vực châu Âu và Eurasia 310.538 triệu tấn, gồm than á bitum, than non 217.981 triệu tấn (70,2%) và than antraxit, bitum 92.557 triệu tấn (29,8%).

Trữ lượng than khu vực châu Á - Thái Bình Dương 288.328 triệu tấn, trong đó than antraxit và bitum 157.803 triệu tấn (54,7%), á bitum, than non 130.525 triệu tấn (45,3%).

Trữ lượng than phân bố chủ yếu tại các nước: Trung Quốc 114.500 triệu tấn (chiếm 12,8%), trong đó, antraxit và bitum 54,3% Australia 76.400 triệu tấn (chiếm 8,6%), trong đó antraxit và bitum 48,6% Ân Độ 60.600 triệu tấn (chiếm 6,8%), trong đó antraxit và bitum 92,6% và Indonesia 28.017 triệu tấn (chiếm 3,1%), toàn bộ là than á bitum và than non.

Trữ lượng than khu vực Bắc Mỹ 245.088 triệu tấn, trong đó antraxit và bitum 112.835 triệu tấn (46,0%), á bitum, than non 132.253 triệu tấn (54,0%).

Trữ lượng than phân bố chủ yếu tại các nước: Mỹ 237.295 triệu tấn (chiếm 26,6%), trong đó antraxit và bitum 45,7% Canada 6.582 triệu tấn (chiếm 0,7%), trong đó antraxit, bitum 52,8%.

Trữ lượng than thế giới đã giảm từ 1.031.610 triệu tấn năm 2005 xuống 909.064 triệu tấn năm 2005 và 891.531 triệu tấn năm 2015.

1.2.1.2 Tình hình khai thác than

Với nhu cầu ngày càng lớn về tài nguyên khoáng sản để phục vụ cho sự phát triển kinh tế thế giới ngày nay, đòi hỏi ngành khai thác mỏ phải phát triển về cả sản lượng và quy mô khai thác Như trên thế giới các mỏ hầm lò

(than và khoáng sản có ích) ở hầu hết các nước (Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Úc,

Nga, Nam Phi, Cộng hòa Liên Bang Đức, Balan ) phải mở rộng quy mô và

xuống sâu Nhiều mỏ than ở Liên Bang Nga, Trung Quốc đã khai thác sâu

>1000m, nhiều mỏ vàng ở Ân Độ, Brazin sâu tới trên 3000m Thực tế trong những năm qua trên thê giới hầu hết các nước có ngành khai thác khoáng sản đều đã phải tăng sản lượng mạnh.

Để đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ đó, đòi hỏi ngành công nghiệp khai thác mỏ ngày càng phải tăng sản lượng Trên thực tế những năm gần đây sản

lượng khai thác khoáng sản nói chung và sản lượng khai thác than nói riêng trên thế giới và đặc biệt là ở Việt Nam đã phải tăng gấp nhiều lần Khi đó sản lượng các mỏ hầm lò đóng vai trò quan trọng và có xu hướng tăng mạnh khi vấn đề khai thác mỏ lộ thiên gặp phải nhiều khó khăn về hiệu quả kinh tế, diện khai thác cũng như các yếu tố ảnh hưởng tới môi trường Sản lượng than khai thác từ các mỏ hầm lò trên Thế giới chiếm từ (35 ^ 45)% sản lượng khai thác chung.

Theo BP Statistical (2013, 2015 và 2016): từ năm 1991 đến 2015, tình hình khai thác than thế giới có những mốc sụt giảm đáng chú ý với nguyên nhân chính

từ các cuộc khủng hoảng kinh tế - tài chính lớn trên thế giới.

Theo BP Statistical (2016), sản lượng than thế giới năm 2015 đạt 3.830,1 triệu TOE (tương ứng khoảng 7.820 triệu tấn), giảm 4,0% so với năm 2014 Trong

đó, châu Á - Thái Bình Dương chiếm 70,6%; khu vực Bắc Mỹ chiếm 12,9%; khu vực châu Âu và Eurasia chiếm 11% và châu Phi chiếm 3,9%.

Trong đó, sản lượng than khu vực châu Á - Thái Bình Dương đạt 2.702,6 triệu TOE (tương ứng khoảng 5.440 triệu tấn), giảm 2,9% so với năm

2014 Trong đó, Trung Quốc 1.827 triệu TOE (bằng 3.693 triệu tấn, chiếm 47,7%) Tiếp theo là Ân Độ, Australia, Indonesia lần lượt là 283,9 triệu tấn TOE (681 triệu tấn); 275 triệu TOE (483,5 triệu tấn) và 241,1 triệu TOE (394,6 triệu tấn).

Sản lượng than khu vực châu Âu và Eurasia đạt 419,8 triệu TOE (tương ứng khoảng 1.137,5 triệu tấn), giảm 3,1% so với năm 2014 Trong đó, Nga 184,5 triệu TOE (tương ứng khoảng 372 triệu tấn) Tiếp theo là Đức, Ba Lan

và Kazacxtan lần lượt là 42,9; 53,7 và 45,8 triệu TOE (tương ứng khoảng 184,3; 136,6 và 106,3 triệu tấn).

Sản lượng than Bắc Mỹ đạt 494,3 triệu TOE (tương ứng khoảng 888 triệu tấn), giảm 10,3% so với năm 2015 Trong đó, Mỹ 455,2 triệu TOE (tương ứng khoảng 812 triệu tấn), Canada 32,1 triệu TOE (tương ứng khoảng 60,9 triệu tấn).

Bảng 1.5 Sản lượng khai thác của một số nước trên thế giới

Sản lư ợ n g k h a i th á c củ a các n ư ớ c tro n g các năm (triệu tấn )

China 2802.0 2973.0 3235.0 3520.0 3,974.3 3,874.0 3,747.0 3,411.0 United States 1063.0 975.2 983.7 992.8 893.4 906.9 812.8 660.6 India 515.9 556.0 573.8 588.5 608.5 648.1 677.5 692.4

European

Australia 399.2 413.2 424.0 415.5 472.8 503.2 484.5 434.0 Russia 328.6 301.3 321.6 333.5 355.2 357.6 373.3 492.8 Indonesia 240.2 256.2 275.2 324.9 474.6 458.0 392.0 434.0 South Africa 252.6 250.6 254.3 255.1 256.3 260.5 252.1 251.3 Germany 192.4 183.7 182.3 188.6 190.6 185.8 183.3 176.1 Poland 144.0 135.2 133.2 139.2 142.9 137.1 135.5 131.1 Kazakhstan 111.1 100.9 110.9 115.9 119.6 108.7 106.5 102.4

Theo dự báo của FOCUSECONOMICS tháng 5/2016, sản lượng than đến năm 2035 của toàn thế giới như sau (triệu TOE):

Bảng 1.6 D ự báo sản lượng khai thác than trên thế giới [1]

D ự báo sản lư ợ n g k h ai th ác th an trên th ế giớ i (triệu T O E )

1.2.2 Các phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan trên thế giới

1.2.2.1 Các công trình nghiên cứu độ thoát khí m ê tan trong mỏ hầm lò

a Kết quả nghiên cứu của các chuyên gia Ba Lan

Các chuyên gia Ba Lan đã nghiên cứu về sự phụ thuộc của độ thoát khí mêtan vào sản lượng lò chợ, sự thay đổi hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải

phụ thuộc vào hệ thống khai thác, công nghệ khai thác và phân bố hàm lượng khí mêtan trong lò chợ đối với các hệ thống khai thác khác nhau.

- Sự phụ thuộc của độ thoát khí mêtan vào sản lượng lò chợ

Độ thoát khí mêtan phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Có những yếu tố có ảnh hưởng rất rõ rệt mang tính quyết định trong khi đó những yếu

tố khác còn lại là những yếu tố rất khó xác minh.

Để đánh giá sự ảnh hưởng của sản lượng đến độ thoát khí mêtan, các tác giả Balan đã khảo sát đo đạc lấy số liệu của 21 lò chợ tại 06 mỏ than hầm lò thuộc vùng than Silesia Bằng cách dùng máy đo diện tích trên các băng giấy ghi của hệ thống quan trắc khí tự động để xác định hàm lượng khí mêtan trung bình trong luồng gió thải trong một ngày đêm Trên cơ sở kết quả đo đạc trong các lò chợ nêu trên, các tác giả đã tổng hợp đưa ra đồ thị mối quan hệ giữa độ thoát khí mêtan với sản lượng lò chợ như trên hình 1.3 và 1.4.

Hình 1.3 Quan hệ giữa độ thoát khí mêtan tuyệt đối với sản lượng lò

chợ (Vùngthan Silesia Balan)

Mỗi đường cong tương ứng với 1 lò chợ với điều kiện địa chất kỹ thuật cụ thể Qua đó cho thấy độ thoát khí mêtan tuyệt đối tăng khi sản lượng

lò chợ tăng và độ thoát khí mêtan tương đối giảm khi sản lượng lò chợ giảm

Hình 1.4 Quan hệ giữa độ thoát khỉ Mê tan tuyệt đối với sản lượng lò chợ

- Độ thoát khí mê tan phụ thuộc vào công tác lò chợ

Qua các công trình nghiên cứu thử nghiệm “Barbara” cho thấy khó tìm thấy một quy luật nào về biến thiên hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải theo chu kỳ sản thoát của lò chợ Còn tại mỏ “Brzeszcze” cho thấy ở các lò chợ khai thác bằng phá hoả toàn phần hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải chủ yếu phụ thuộc vào mức sản lượng lò chợ Sự ảnh hưởng của các loại hình công việc khác nhau đến hàm lượng khí trong các trường hợp này rất khó xác định.

Tuy nhiên trong trường hợp lò chợ XXXII mỏ than “Brzeszcze” điều khiển

đá vách bằng chèn lò khô thủ công có quan sát được quy luật biến thiên hàm lượng khí rất rõ rệt Quy luật biến thiên hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải

lò chợ XXXII được giới thiệu trên các hình 1.6 và hình 1.7.

Hình 1.5 Đồ thị biến thiên hàm lượng Mê tan trong luồng gió thải của lò chợ

vỉa XXXII mỏ than Brzeszcze trong 1 tuần

A r 9 A

Hình 1.6 Đồ thị biến thiên hàm lượng Mê tan theo biểu đồ chu kỳ sản thoát

lò chợ vỉa XXXII mỏ than Brzeszcze

Trên hình 1.6, đường đồ thị thể hiện sự biến thiên độ thoát khí mêtan trong ngày Ta nhận thấy rằng trong khoảng 3 giờ ở thời điểm kết thúc tải than hàm lượng hầu như không đổi, khi bắt đầu tiến hành phá hoả và khoan

nổ mìn hầu như không thay đổi, khi bắt đầu tiến hành phá hoả và khoan nổ mìn phần trên đầu lò chợ thì hàm lượng khí mêtan tăng 0,2%, sau đó lại giảm xuống khoang 0,13% Khi bắt đầu tiến hành khoan nổ mìn phần dưới chân lò chợ thì hàm lượng mêtan tăng lên 0,33% Sau khi kết thúc giai đoạn khoan nổ mìn và bắt đầu tải than thì hàm lượng mêtan giảm dần, ban đầu giảm nhẹ sau đó giảm nhanh khoảng 0,4% và đạt mức thấp nhất trong ngày Khi phá hoả gây ra sự thay đổi áp lực trong vỉa than do đó than bị vỡ vụn trong khoảng cự ly 15-20m trong vỉa có mêtan cao sẽ thoát mạnh ra lò chợ Khi tải than lượng mêtan thoát ra giảm, khi đó lượng mêtan thoát ra từ mặt gương cũng như từ khu vực đã phá hoả đều giảm.

Các tác giả trên Thế giới có tổng kết một số qui luật về sự phân bố khí mêtan trong khu vực lò chợ phụ thuộc vào sơ đồ hệ thống khai thác cũng như phương pháp thông gió Dưới đây sẽ trích dẫn các dạng phân bố

khí khác nhau trong khu vực lò chợ dạng khác nhau Các vị trí và các vùng nêu trên thay đổi khác nhau tuỳ thuộc vào hệ thống khai thác, phương pháp thông gió từng khu vực lò chợ.

+ Trường hợp thứ nhất: đối với hệ thống khai thác lò chợ dài theo phương với phương pháp thông gió kiểu chữ “U ” (thông gió nghịch).

Đây là hệ thống khai thác khá phổ biến với việc sử dụng thông gió kiểu chữ “U ”, ở đây cả gió sạch và gió bẩn tiếp xúc với than Trong trường hợp này khu vực phá hoả nói chung nằm ngoài phạm vị thông gió, chỉ có một phần nhỏ với thể tích không đáng kể tiếp xúc với lò chợ

Hình 1.7 Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ dài theo

phương với hệ thống thông gió nghịch

Trong khu vực phá hoả có vùng với hàm lượng khí mêtan cao nằm gần khu vực công tác của lò chợ Vùng này có thể tạm gọi là “vùng khí mêtan cao” Còn nơi có cường độ thoát khí lớn nhất là góc phía trên của lò chợ, nơi tiếp xúc với đầu lò thông gió (nơi vẽ các mũi tên chỉ cường độ thoát khí cao) Sẽ không đảm bảo an toàn nếu áp dụng hệ thống khai thác này với các vỉa có độ chứa khí mê tan cao.

+ Trường hợp thứ 2: đối với hệ thống khai thác lò chợ dài theo

phương với thông gió thuận từ dưới lên trên hoặc từ trên xuống, có bổ sung gió sạch.

Hình 1.8 Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác lồ chợ dài

theo phương với sơ đồ thông gió thuận từ dưới lên trên

Trong trường hợp này vùng khí mê tan cao được đẩy sâu vào khu vực phá hoả, cũng như các điểm thoát khí mê tan vào trong đường lò được đẩy ra xa gương lò Mức độ an toàn được tăng lên.

Hình 1.9 Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác lồ chợ dài theo

phương với sơ đồ thông gió thuận từ trên xuống + Trường hợp thứ 3: đối với hệ thống khai thác lò chợ dài khấu đuổi Trong trường hợp này vùng chứa khí mê tan cao được đẩy ra xa gương

lò, về phía đường lò thông gió, tạo cơ hội cho khí mê tan thoát ra đường lò nhiều, gây nên hiểm hoạ nghiêm trọng Các điểm thoát khí mê tan có thể thoát hiện trên cả chiều dài của khu vực phá hoả dọc theo đường lò thông gió

và có thể thoát hiện bất ngờ Điều này từy thuộc vào những thay đổi các thông số thông gió và đặc biệt phụ thuộc vào các hiện tượng xảy ra khi đá vách sập đổ.

Hình 1.10 Sự phân bố khỉ mê tan trong hệ thống khai thác khấu đuổi

Các hệ thống khai thác được giới thiệu ở trên chưa thể hiện hết được tất cả các khả năng và trường hợp ở đây chỉ đưa ra các hệ thống khai thác

lò chợ đặc trưng, thường gặp dưới giác độ các dạng hình thành hiểm hoạ về khí mê tan và phương pháp xác định các vị trí thoát khí

b Kết quả nghiên cứu của các chuyên gia Nga

Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Liên Xô cũ đã chỉ ra rằng sự thoát khí mê tan vào lò chợ có nguồn gốc chủ yếu từ: Bề mặt gương

lò chợ; Than mới khấu ra và từ Khoảng đã khai thác.

Hình 1.11 Cường độ thoát khí từ mặt lộ gương theo thời gian

1, 2,: Các vỉa h10, h 1 0 ’ bể than Đôn-bát

3, 4, 5: Các vỉa k18, k12, k10 bể than Karaganda

- Cường độ thoát khí ra bề mặt lộ gương lò chợ bị giảm đi theo thời gian

kể từ khi gương than mới bị lộ trong quá trình tách phá than (hình 1.12)

- Sự thoát khíM êtan từ than đã khấu ra

Hình 1.13 Sự thoát khí từ than đã khấu của vỉa than Bonđurevski

thuộc mỏ Kirov vùng Kuzbas

1 - Cỡ hạt 0,14 -1 ,5 mm 2 - Cỡ hạt 0,3 - 5,0 mm 3 - Cỡ hạt 5 -1 0 mm.

Sự thoát khí Mêtan từ than đã khấu ra tương tự như sự thoát khí từ bề mặt tự do của vỉa than, song cường độ thoát khí giảm nhanh đáng kể Mức

độ thoát khí giảm theo thời gian và phụ thuộc vào độ chứa khí, độ rỗng và cỡ hạt của than đã khấu

- Sự thoát khí mê tan từ khoảng đã khai thác.

Sự thoát khí mê tan từ khoảng đã khai thác ở các khu khai thác trong các mỏ than hầm lò diễn ra ở đường lò thông gió và ở gần gương lò chợ Tổng lượng khí mê tan thoát ra từ khoảng đã khai thác vào đường lò thông gió tăng lên theo mức độ tách xa lò chợ, tiến đến một số giới hạn mà thông thường đạt đến khoảng cách 100-250m, và phụ thuộc vào phương pháp điều khiển đá vách, tính chất đất đá vách, sự có mặt của các vỉa tiếp theo, sơ đồ thông gió Trong một số trường hợp tăng thoát khí mêtan đột biến quan sát được ở khoảng cách tới 1000m từ lò chợ.

Hàm lượng khí mê tan dọc theo đường lò thông gió dao động tương

tự sự thoát khí mê tan.

c Kết quả nghiên cứu của các chuyên gia Rumani

Các chuyên gia Rumani đã có các nghiên cứu về sự phân bố nồng độ khí mêtan trong không gian và thời gian trong lò chuẩn bị và trong luồng gió thải của lò chợ như sau:

Hình 1.15 Sự phân bố hàm lượng khí mêtan trong tiết diện đường lò

a Trong trường hợp không khí được hoà trộn đều

b Trong trường hợp hình thành các lớp khí CH4

c Trong trường hợp xì khí mêtan

- Sự thoát khí mêtan ở lò chợ

Sự tăng hàm lượng mêtan trong đường lò dẫn gió sạch vào lò chợ, trong lò chợ và trên đường lò gió thải được giới thiệu trong hình sau:

Hình 1.15 Sự tăng hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải ở lò chợ

- Phân bố hàm lượng khí mêtan trong tiết diện ngang của lò chợ

Sự tồn tại khí mêtan trong khoảng đã khai thác là từ các trụ than bảo

vệ, mà ở đó tiếp tục thoát khí mêtan, cũng như sự thoát khí từ các vỉa than (không khai thác hoặc không thể khai thác) và đất đá chịu ảnh hưởng bởi việc khấu than từ vỉa đang khai thác Sự lưu tụ khí mêtan dễ dàng nhờ sự hình thành các lỗ hổng có các kích thước khác nhau, trong trường hợp phương pháp điều khiển áp lực lò chợ bằng phá hoả toàn phần và đặc biệt trong trường hợp đá vách khó sập đổ và sập đổ theo các blốc lớn Những điều kiện như vậy được sinh ra trong trường hợp các lò chợ dài được khai thác ở các vỉa than dưới vách tự nhiên Các số liệu đo đạc trong không gian khai thác của các lò chợ dài, ở các mỏ than hầm lò thuộc vùng thung lũng Jiu, đã chỉ ra rằng sự có mặt của mêtan với hàm lượng nổ hoặc hàm lượng đến 60%

Sự phân bố hàm lượng khí mêtan trong một tiết diện ngang của không gian lò chợ dài cho thấy có một sự tăng đều trị số theo mức độ xa dần gương

lò chợ.

Hình 1.16 Phân bố hàm lượng khỉ mêtan trong không gian đã khai thác của

Từ những vấn đề đã nghiên cứu trên, ta có thể rút ra các nhận định sau: Các công trình của các tác giả trên thế giới đã tập trung nghiên cứu về phân bố độ chứa khí mêtan tự nhiên trong vỉa than, các đánh giá về sự phân

bố khí mêtan trong lò chợ, mối quan hệ giữa độ thoát khí mêtan với sản lượng lò chợ và ảnh hưởng của các công đoạn sản thoát trong lò chợ đến hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải.

Đối với các khoáng sàng than có các lớp ngăn cách giữa các vỉa than không cho phép thẩm thấu khí (khoáng sàng loại kín) thì càng xuống sâu độ chứa khí mêtan càng tăng lên Ngược lại các khoáng sàng có các lớp ngăn cách giữa các vỉa than cho phép thẩm thấu khí (khoáng sàng loại hở) lại nằm dưới lớp đất phủ không cho phép thẩm thấu khí được đặc trưng bởi độ chứa khí mêtan cao trong các vỉa nằm trực tiếp dưới lớp đất phủ và độ chứa khí giảm dần theo chiều sâu đến một độ sâu nhất định sau đó lại tăng dần lên.

Các tác giả tập trung chủ yếu vào nghiên cứu độ thoát khí đối với các

lò chợ dài trong sơ đồ công nghệ khai thác khấu 1 lớp hết chiều dầy vỉa và

đã đưa ra một số quy luật:

- Độ thoát khí mêtan tuyệt đối tăng giảm cùng chiều với chiều tăng giảm của sản lượng lò chợ và độ thoát khí mêtan tương đối tăng giảm ngược chiều với chiều tăng giảm của sản lượng lò chợ.

- Tại một số lò chợ (như lò chợ XXXII của mỏ BRZESZCZE Balan), hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải thay đổi có quy luật, cụ thể khi tiến hành công tác khoan bắn mìn, tháo than hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải tăng khoảng gấp rưỡi đến gần gấp đôi so với hàm lượng khí trong thời gian tiến hành các công việc khác trong lò chợ.

Các mối quan hệ do các tác giả đưa ra chưa được nghiên cứu trên các

sơ đồ công nghệ khác nhau như khai thác chia lớp, hạ trần thu hồi than nóc

I.2.2.2 Các p h ư ơ n g pháp d ự báo độ thoát k h í m ê tan trong các m ỏ than hầm lò [11]

a Phương pháp tại các nước Tây Âu

Ở các nước Tây Âu, người ta thường sử dụng phương pháp dự báo độ

thoát khí mêtan vào lò chợ theo Shulza, Wintera và Stuffkena.

VlT

M = w m + y’ST’ n*fc - Wlc

100

(1.1) Trong đó:

M- Đô thoát khí tương đối ở lò chợ (m3CH4/T-ng.đ)

Wtn- Đô chứa khí tự nhiên của vỉa than (m3CH4/T)

Wlc- Đô chứa khí của vỉa lân cận (trên hoặc hoặc dưới) (m3CHị/T

than sạch)

mlc- Chiều dày của vỉa lân cận (trên hoặc hoặc dưới); (m)

mkt- Chiều dày vỉa khai thác.

nic - Hê số thoát khí từ các vỉa lân cận (trên hoặc hoặc dưới), hê số này phụ thuộc vào khoảng cách từ các vỉa lân cận đến vỉa đang khai thác.

b Phương pháp thống kê của Liên Xô

Cơ sở của phương pháp này là hê thống số liệu được thống kê lại trong quá khứ về độ thoát khí của khu vực khai thác hay tầng khai thác và các yếu

tố khác như mức khai thác, chiều dài lò chợ Độ chuẩn xác của phương pháp phụ thuộc vào độ tin cậy của số liệu thống kê Độ thoát khí mê tan của mức khai thác mới được tính theo công thức:

(1.2) Trong đó:Mp - Độ thoát khí mêtan của mức khai thác m3/Tngàyđêm

H - Độ sâu của mức khi thác mới (m)

H0- Độ sâu của vách đới chứa khí mê tan (m)

L- Bậc giàu khí biểu thị mức tăng chiều sâu để độ thoát khí tương đối tăng lên 1 m3CH4/T-ng.đ; đơn vị (m/m3G H /T )

Giá trị bậc giàu khí L được tổng kết từ các số liêu đã thống kê tại các mức đã và đang khai thác Giá trị L được xác định theo công thức sau:

r _ * * » - * * +

’ H - H ,

Lp- Độ giầu khí

(1.3)