Nghiên cứu tác động môi trường của dự án khí hóa than ngầm tại vùng than khoái châu tỉnh hưng yên

UCG là một công nghệ khai thác than mới, lần đầu tiên áp dụng tại Việt Nam, việc xem xét Dự án trên về khía cạnh môi trường là lý do chính để học viên lựa chọn Đề tài: Nghiên cứu tác độn

Mục lục 1

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA HOẠT ĐỘNG KHÍ HÓA THAN NGẦM ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG 12

1.1 Tổng quan về công nghệ khí hóa than ngầm 13

1.2 Các vấn đề môi trường của công nghệ khí hóa than ngầm 14

1.2.1 Ảnh hưởng đến nước ngầm 15

1.2.2 Ảnh hưởng đến mặt đất 19

1.2.3 Ảnh hưởng đến các yếu tố môi trường khác 20

1.3 Tác động môi trường của hoạt động khí hóa than ngầm trên thế giới 21

1.4 Các phương pháp nghiên cứu rủi ro trong hoạt động khí hóa than ngầm 23

1.4.1 Nhóm phương pháp kinh nghiệm 23

1.4.2 Nhóm phương pháp mô hình 29

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU SỤT LÚN VÀ BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT TRONG HOẠT ĐỘNG KHÍ HÓA THAN NGẦM 31

2.1 Khái quát chung về sụt lún và biến dạng mặt đất trong khai thác than ngầm 31

2.2 Phương pháp dự báo theo quy phạm của Viện Vnimi 33

2.2.1 Số liệu đầu vào 33

2.2.2 Dự báo dịch chuyển biến dạng mặt đất của một khoang khí hóa 34

2.3 Phương pháp dự báo lún bằng phần mềm Phase2 38

2.3.1 Khái quát chung về chương trình Phase2 38

2.3.2 Điều kiện và cơ sở lựa chọn mô hình Phase2 39

2.3.3 Dữ liệu đầu vào của phần mềm Phase2 41

2.3.4 Trình tự tính toán và luận giải kết quả 41

CHƯƠNG 3 DỰ BÁO TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG CHO DỰ ÁN KHÍ HÓA THAN NGẦM TẠI VÙNG THAN KHOÁI CHÂU TỈNH HƯNG YÊN 43

3.1 Nội dung cơ bản của dự án thử nghiệm khí hóa than ngầm 43

3.2 Đặc điểm địa hình, địa chất mỏ vùng than Khoái Châu 46

3.3 Nhận dạng các tác động môi trường chính của dự án UCG 50

3.4 Tính toán các thông số kĩ thuật cho dự án UCG 54

3.5 Đánh giá tác động của các chất ô nhiễm 63

3.6 Đánh giá tác động cháy nổ 67

3.7 Đánh giá tác động lún mặt đất 69

3.7.1 Lựa chọn phương pháp dự báo sụt lún mặt đất 72

3.7.2 Dự báo lún mặt đất theo phương pháp của Viện Vnimi 73

3.7.3 Dự báo lún mặt đất bằng phần mềm Phase2 75

3.7.4 Kết quả dự báo lún 83

3.8 Dự báo hậu quả và đề xuất biện pháp giảm thiểu tác động sụt lún 83

3.8.1 Dự báo hậu quả của tác động sụt lún 83

3.8.2 Ước tính thiệt hại của tác động sụt lún 84

3.8.3 Đề xuất biện pháp giảm thiểu tác động sụt lún 87

3.9 Công tác quan trắc môi trường trong khí hóa than ngầm 89

3.9.1 Quan trắc nước ngầm 89

3.9.2 Quan trắc sụt lún mặt đất 90

3.9.3 Quan trắc chất lượng không khí và tài nguyên đất 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “Nghiên cứu tác động môi

trường của dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên”

là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS Trịnh Thành Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôi điều tra, trích dẫn, tính toán và đánh giá

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung tôi đã trình bày trong luận văn này

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2015

Học viên

Hà Văn Thới

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2015

Học viên

Hà Văn Thới

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TKV Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước tại khu vực

thử nghiệm UCG (Fairfield, Mỹ) [13] 17

Bảng 1.2 So sánh nồng độ chất các chất ô nhiễm trong nước ngầm khu vực khí hóa than ngầm với quy chuẩn hiện hành của Việt Nam 18

Bảng 2.1 Tốc độ lún cực đại của mặt đất tỷ lệ nghịch với độ sâu khai thác [1] 32

Bảng 3.1 Đặc điểm các phức hệ chứa nước vùng Khoái Châu [5] 46

Bảng 3.2 Bảng chỉ tiêu cơ lý đá trung bình trong trầm tích Neogen [5] 48

Bảng 3.3 Bảng chất lượng than vùng Khoái Châu [5] 49

Bảng 3.4 Các đối tượng tự nhiên bị tác động trong quá trình UCG 53

Bảng 3.5 Tính chất của than vùng Angren và vùng Khoái Châu [8] 55

Bảng 3.6 Các thông số kĩ thuật chính của công tác khí hóa trạm khí hóa Angren, Uzobekistan [7] 57

Bảng 3.7 Các thông số kĩ thuật áp dụng cho dự án UCG tại Khoái Châu 62

Bảng 3.8 Kết quả dự báo lượng các chất phát sinh trong quá trình khí hóa 62

Bảng 3.9 Thành phần hoá học của nước ngầm gần lỗ khoan 33 của hệ thống khí hóa số 17 khu mỏ Nam Abinsk [7] 65

Bảng 3.10 So sánh các đặc điểm địa chất vùng mỏ Khoái Châu và vùng mỏ Postmoscovie [7] 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình khí hóa chất hữu cơ [7] 13

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của công nghệ UCG [9] 14

Hình 1.3 Ảnh hưởng khí hóa than ngầm đối với mặt đất [16] 20

Hình 1.4 Sụt lún tại dự án thử nghiệm UCG, Hoe Creek III, Mỹ [14] 22

Hình 1.5 Sự cố cháy nổ tại dự án UCG Hoe Creek III, Mỹ [14] 22

Hình 2.1 Sơ đồ sụt l n trong hoạt động khai thác than ngầm [20] 31

Hình 2.2 Sơ đồ phân bố dịch chuyển và biến dạng tại các điểm trên mặt cắt cơ bản của bồn dịch chuyển khi dịch chuyển kết thúc [1] 35

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí khu vực dự án [8] 43

Hình 3.2 Sơ đồ mặt bằng khu vực dự án [8] 44

Hình 3.3 Sơ đồ mặt cắt qua hệ thống lỗ khoan UCG khu vực dự án [8] 45

Hình 3.4 Sơ đồ các tác động chính của quá trình khí hóa than ngầm 50

Hình 3.5 Đồ thị của phương trình (3.1) [7] 59

Hình 3.6 Sơ đồ mô hình khoang khí hóa dưới ngầm và bồn lún trên mặt đất [15] 69 Hình 3.7 Sơ đồ mặt cắt các khu vực đặc trưng của khoang khí hóa [15] 70

Hình 3.8 Các dạng sụt lún của khoang UCG [10] 71

Hình 3.9 Sơ đồ mặt cắt qua khu vực khí hóa than ngầm tại dự án Khoái Châu 74

Hình 3.10 Sơ đồ mặt cắt khoang UCG trong môi trường phần mềm Phase2 (a, b,c) 77

Hình 3.11 Mô hình kết quả dự báo lún bằng phần mềm Phase2 khi khí hóa than ngầm ở mức -450m 78

Hình 3.12 Sơ đồ bình đồ hào lún theo kết quả dự báo bằng phần mềm Phase2 79

Hình 3.13 Sơ đồ ảnh hưởng của lún tại khu vực dự án UCG, Khoái Châu 80

Hình 3.14 Quan hệ gữa rủi ro lún và chiều sâu khai thác than ngầm [20] 80

Hình 3.15 Mô hình kết quả dự báo lún khi khí hóa than ngầm ở mức -750m 81

Hình 3.16 Mô hình kết quả dự báo lún khi khí hóa than ngầm ở mức -1050m 82

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ khí hoá than ngầm (Underground coal gasification - UCG) đang được áp dụng để khai thác các nguồn than ở những khu vực bị hạn chế về mặt kỹ thuật và kinh tế khi khai thác bằng công nghệ truyền thống (lộ thiên và hầm lò) Khác với công nghệ khai thác than thông thường và công nghệ khí hoá than trên mặt đất, UCG sẽ loại bỏ được hầu hết các yêu cầu về xử lý than trên bề mặt Trên thế giới, dự án UCG tại Angren ở Uzbekistan phục vụ phát điện đã vận hành từ những năm 1960 Đến nay, đã có một số thử nghiệm UCG thành công ở Majuba - Nam Phi, Chinchilla và Bloodwood - Úc, Quảng Châu - Trung Quốc [7]

UCG là quá trình chuyển hóa trực tiếp than thành khí tại vỉa trong lòng đất dưới tác động của các yếu tố đầu vào là áp suất, nhiệt độ, hơi nước, hỗn hợp không khí và oxi hoặc oxi với nồng độ khác nhau Dưới tác động của các quá trình hóa - lý diễn ra trong vỉa than, sản phẩm của UCG là khí tổng hợp có thành phần chủ yếu là

CO, CO2, CH4, H2O, H2, H2S và CmHn [7] Khí tổng hợp được xử lý để sản xuất nhiên liệu cho nhà máy điện, dầu diesel, khí hydro, phân bón, hóa chất …

Quá trình UCG là quá trình đốt cháy than không hoàn toàn tại vỉa Hỗn hợp khí nén được cung cấp để đốt cháy than tạo ra nhiệt lượng làm bay hơi các chất bốc, bay hơi nhựa than, nhiệt phân phần lớn các thành phần rắn trong than thành các chất khí của cácbon và hyđrô UCG vừa được xem là một quá trình khai thác than, vừa được xem là một quá trình chuyển đổi than thành khí tổng hợp

Theo kết quả đã nghiên cứu, dưới mức cao -120m ở Đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) là một bể than lớn, than có chất lượng và giá trị sử dụng đạt chỉ tiêu công nghiệp Than ở đây thuộc loại than nâu (Lignite) đến á bitum (Sub-bituminous) Tài nguyên than toàn bể than theo đánh giá của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) năm 2009 khoảng 87 tỷ tấn, trong đó tài nguyên suy đoán cấp 334a ứng với mức cao -120 đến -1200m là 38,5 tỷ tấn Riêng vùng Khoái Châu với diện tích trên 80km2 có khoảng trên 1,7 tỷ tấn tài nguyên than [5] Hiện nay, loại

than này trên thế giới chủ yếu được dùng để sản xuất điện, làm nhiên liệu sản xuất dầu diesel, xăng và các hoá chất cơ bản khác như metanol

Than ở ĐBSH được nhận định có những đặc tính công nghệ phù hợp cho khí hoá (chuyển hoá trực tiếp thành khí tổng hợp dùng cho các nhà máy điện) và hoá lỏng (chuyển hoá than hoặc khí tổng hợp thành dầu diesel sử dụng cho các nhu cầu khác nhau của nền kinh tế) Theo nhận định của các chuyên gia khai thác mỏ, bể than ĐBSH có điều kiện khai thác rất phức tạp Các vỉa than nằm sâu trong lòng đất, đất đá tầng phủ, tầng chứa than có mức độ gắn kết yếu và có khả năng chứa nước [7] Do vậy, bể than cần được tiến hành khai thác thử nghiệm để đánh giá tính khả thi của công nghệ nhằm giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường

Thực hiện chủ trương của Chính phủ tại các văn bản: Quyết định số 2427/QĐ-TTg ngày 22/12/2011 (Chiến lược phát triển khoáng sản); Quyết định số 60/QĐ-TTg ngày 09/01/2012 (Quy hoạch phát triển ngành than), TKV cùng các đối tác nước ngoài đang chuẩn bị triển khai các dự án than tại bể than ĐBSH, trong đó

có Dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên (Dự án)

Bên cạnh những mặt tích cực, UCG còn tiềm ẩn những tác động tiêu cực đối với môi trường như: Sụt lún, biến dạng mặt đất, hiệu ứng nhiệt, ô nhiễm nước ngầm, nước mặt, đất, không khí và cháy nổ

UCG là một công nghệ khai thác than mới, lần đầu tiên áp dụng tại Việt Nam, việc xem xét Dự án trên về khía cạnh môi trường là lý do chính để học viên

lựa chọn Đề tài: Nghiên cứu tác động môi trường của dự án khí hóa than ngầm

tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên

2 Lịch sử nghiên cứu

Công nghệ UCG đã được nghiên cứu, thử nghiệm chủ yếu ở các nước Tây

Âu, Mỹ, Trung Quốc, Liên Xô cũ, Úc và Nam Phi Từ năm 1995, ở Liên Xô cũ đã thực hiện 6 dự án UCG mang tính thương mại, khai thác được khoảng 14†15 triệu tấn than, trong số đó có mỏ Angren ở Uzbekistan vẫn đang hoạt động Vào những năm 1980, các thử nghiệm được thực hiện ở Mỹ cho thấy quá trình UCG có khả năng cạnh tranh về kinh tế so với khí hoá than trên mặt đất [7]

Thực tế, hầu hết các dự án UCG trên thế giới mới dừng lại ở giai đoạn thử nghiệm Nguyên nhân chính để các dự án trên chưa phát triển ở quy mô thương mại bởi công nghệ UCG tiềm ẩn các tác động tiêu cực đối với môi trường

Khung pháp lý về công tác bảo vệ môi trường của các quốc gia Châu Âu và Châu Mỹ rất chặt chẽ, đặc biệt đối với ngành công nghiệp khai thác khoáng sản Ở nước ta, theo quy định của Luật bảo vệ Môi trường năm 2014 (Luật số 55/2014/QH13), các văn bản dưới luật, các quy định, các quy chuẩn, tiêu chuẩn về môi trường, các hướng dẫn về công tác lập báo cáo đánh giá tác động môi trường khá chi tiết đối với các dự án phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường Dự án

áp dụng công nghệ UCG là rất mới trong hoạt động khai thác khoáng sản ở nước ta nên chưa có hướng dẫn cụ thể Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, học viên sẽ tìm hiểu, phân tích, tổng hợp một số báo cáo đánh giá tác động môi trường trong lĩnh vực liên quan để phục vụ công tác nghiên cứu

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu, nhận dạng, đánh giá các tác động môi trường của dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên; Trong đó, luận văn tập trung đánh giá tác động sụt l n mặt đất; Kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra những dự báo về mức độ sụt l n mặt đất do dự án gây ra và tác động của nó đối với môi trường

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tác động sụt l n mặt đất của

dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên Phạm vi nghiên cứu của luận văn trong khuôn khổ dự án thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm

Từ đó, luận văn đề xuất các biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu, ứng phó sự cố sụt

l n mặt đất do dự án gây ra

4 Tóm tắt các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Luận văn nhận dạng, dự báo, đánh giá mức độ tác động, đề xuất các biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu, ứng phó sự cố sụt l n mặt đất trong hoạt động khí hóa than ngầm Kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần định hướng cho công tác

xây dựng kế hoạch bảo vệ môi trường đối với các dự án khí hóa than ngầm tại ĐBSH

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, mô hình toán, mô hình số nhằm lựa chọn phương pháp đánh giá, pháp giảm thiểu tác động sụt l n mặt đất đối với dự án khí hóa than ngầm

Nội dung của luận văn gồm các phần sau:

Mở đầu Chương 1 Tổng quan về tác động của hoạt động khí hóa than ngầm đối với môi trường

Chương 2 Phương pháp luận nghiên cứu sụt l n và biến dạng mặt đất trong hoạt động khí hóa than ngầm

Chương 3 Dự báo tác động môi trường cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên

Kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA HOẠT ĐỘNG KHÍ HÓA

THAN NGẦM ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG

Trong bối cảnh các nguồn năng lượng ngày càng trở lên cạn kiệt, các công nghệ sản xuất năng lượng mới đã đóng vai trò quan trọng trong hỗn hợp năng lượng tương lai Công nghệ UCG cho phép tiếp cận các nguồn tài nguyên than không thể khai thác một cách kinh tế bằng các công nghệ khác, ví dụ như các khoáng sàng than quá sâu, chất lượng than quá thấp hoặc vỉa than quá mỏng Đây cũng chính là nguyên nhân khiến cho công nghệ UCG phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây

Nhằm thỏa mãn các nhu cầu về năng lượng, Trung Quốc hiện là một quốc gia đi đầu trong việc triển khai thác công nghệ UCG với khoảng trên 30 dự án lớn đang được xây dựng Ấn Độ đã xây dựng các kế hoạch áp dụng công nghệ UCG trong việc tiếp cận 350 tỷ tấn than khó có thể khai thác Tại Nam Phi, hai Tập đoàn Sasol và Eskom cũng đã tiến hành xây dựng thử nghiệm các trạm khí hóa than ngầm nhằm trang bị các cơ sở vật chất, đào tạo chuyên gia, nâng cao kiến thức trong lĩnh vực này [7]

Đến nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về UCG được tiến hành tại

Mỹ, châu Âu, Nhật Bản, Ấn Độ, Australia và Trung Quốc trên quy mô thử nghiệm

và công nghiệp Trong bối cảnh phải hạn chế phát thải khí cacbon, công nghệ UCG kết hợp với công nghệ thu giữ khí cacbon CCS (carbon capture and storage) hiện đang được xem là một giải pháp sử dụng than hiệu quả, lượng phát thải thấp, đặc biệt là đối với các nhà máy điện sử dụng than [8]

Các giải pháp sử dụng than truyền thống và phi truyền thống, như công nghệ UCG, đều đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Trong quá trình thử nghiệm công nghệ UCG, đã có những phản đối trong dư luận xã hội liên quan đến tác động sụt lún mặt đất, những hậu quả ô nhiễm nguồn nước do công nghệ này gây ra Đây cũng là một trong những nguyên nhân khiến cho các dự án UCG chưa có điều kiện phát triển sau quy mô thử nghiệm [7]

Hiện tại, bể than Quảng Ninh chủ yếu được khai thác bằng công nghệ truyền thống như hầm lò và lộ thiên Do bể than Quảng Ninh có lịch sử khai thác trên 100 năm, điều kiện địa chất mỏ, điều kiện địa hình cho phép phát triển các công nghệ khai thác truyền thống Đối với bể than ĐBSH, tài nguyên than có thể thăm dò là rất lớn, khoảng 38,5 tỷ tấn nhưng các vỉa than lại phân bố sâu (từ mức -120m trở xuống) [7]; điều kiện địa chất mỏ, điều kiện địa hình vùng đồng bằng chưa cho phép lựa chọn công nghệ khai thác truyền thống tại đây khi chưa có kết quả khai thác thử nghiệm Công nghệ UCG bước đầu được đề xuất, lựa chọn để thử nghiệm tại vùng than Khoái Châu thuộc bể than ĐBSH nhằm hạn chế những tác động hiện hữu do khai thác than truyền thống gây ra Đồng thời, dự án thử nghiệm công nghệ UCG thành công, mang lại hiệu quả kinh tế, đảm bảo an sinh xã hội và an toàn đối với môi trường sẽ mở ra một hướng khai thác mới cho Ngành than Việt Nam Theo

đó, TKV đã xây dựng kế hoạch phát triển bể than ĐBSH, trong đó ưu tiên áp dụng công nghệ UCG tại đây Bản chất và những vấn đề môi trường của công nghệ UCG

sẽ được trình bày ở những mục tiếp theo

1.1 Tổng quan về công nghệ khí hóa than ngầm

Khí hóa là phương pháp chuyển hóa các loại vật liệu chứa cacbon như than, dầu mỏ, nhiên liệu sinh học, sinh khối thành cacbon monoxit và hydro thông qua các phản ứng với oxy và hơi nước ở nhiệt độ cao Sản phẩm khí sau phản ứng gọi là khí tổng hợp (syngas) [7]

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình khí hóa chất hữu cơ [7]

Chất hữu cơ + O2 (thiếu) + to

Khí: CO2, CO, H2, CH4, CmHn, N2, …

Lỏng: CH3COOH, CH3OH, axeton, hydrocacbon chứa oxi, …

Rắn: Tro, muội C, …

Mục đích của khí hóa than là biến đổi hầu hết các chất rắn cháy được có trong than thành dạng khí đốt nhân tạo có thành phần chủ yếu là CO, H2, CH4 Cũng như các phương pháp sử dụng than trực tiếp, sản phẩm khí hóa than có thể dễ dàng

sử dụng, lưu giữ và vận chuyển Khí hóa than trực tiếp tại các vỉa than đang được áp dụng để khai thác tài nguyên than chưa thể áp dụng bằng các phương pháp truyền thống (lộ thiên và hầm lò) [7]

UCG là quá trình bơm ép các chất oxy hóa (oxy, không khí, hơi nước…) để trực tiếp chuyển hóa than trong lòng đất thành khí tổng hợp gồm: H2S, CO2, CnHm,

CO, H2, CH4, N2 và hơi nước (H2O) với các tỷ lệ khác nhau Quá trình UCG được thực hiện bởi các giếng khoan từ trên bề mặt Khí tổng hợp của quá trình UCG có thể được sử dụng để sản xuất các nguyên liệu hóa học (như phân bón, amoniac…), sản xuất nhiên liệu lỏng (như dầu diesel, xăng…) hoặc sử dụng làm nhiên liệu trực tiếp cho các nhà máy phát điện hoặc luyện kim [7]

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của công nghệ UCG [9]

1.2 Các vấn đề môi trường của công nghệ khí hóa than ngầm

Một trong những nguyên nhân hạn chế việc khai thác than trên thế giới là vấn đề thiệt hại về môi trường tại các khu mỏ Các vấn đề môi trường chính của công nghệ UCG bao gồm: Ô nhiễm nước ngầm (hoá học và nhiệt) do quá trình khí hoá và sự nhiệt phân của than; Ô nhiễm không khí do sự phát tán các khí sản phẩm

và các hợp chất đi kèm; Phá vỡ cân bằng của khối đất đá trong hệ thống khí hoá

ngầm; Ảnh hưởng đến bề mặt (biến dạng và sụt l n); Gây hiệu ứng nhiệt (trong lòng đất và bề mặt) và có thể xảy ra cháy nổ

Những nghiên cứu thực tế về tác động của quá trình UCG đối với nước ngầm, được thực hiện bằng hệ thống mạng lưới lỗ khoan quan trắc đặc thù, lựa chọn biện pháp quan trắc phù hợp để thu được các thông số kỹ thuật tối ưu nhằm giảm thiểu ô nhiễm nước ngầm trong quá trình vận hành, ngừng hoạt động và sau khi kết

th c khí hóa Quá trình cháy liên tục của vỉa than trong khoang khí hóa gây nên sự biến dạng của các khối đất đá bên trên khu vực khí hoá Sự biến dạng đó có thể lan tỏa lên mặt đất và tạo ra sụt l n

1.2.1 Ảnh hưởng đến nước ngầm

a Ảnh hưởng tới chất lượng nước ngầm

Khai thác than bằng công nghệ UCG có thể gây ảnh hưởng tới chất lượng, trữ lượng và động thái của các tầng nước ngầm trong địa tầng chứa vỉa than khí hóa Trong quá trình UCG, nhiệt độ cao tại kênh khí hóa nung nóng đất đá ở vách, trụ vỉa than và nguồn nước ngầm trong khu vực khí hóa Khi nhiệt độ tăng, tính chất vật lý và thành phần hóa học của nước ngầm bị thay đổi so với trạng thái ban đầu:

- Tỷ trọng của nước giảm do tăng thể tích, độ nhớt của nước ngầm cũng giảm theo;

- Khả năng hòa tan của nước tăng lên, đặc biệt là sự hòa tan khí CO2 (sinh ra trong quá trình khí hóa) trong nước tạo thành axit H2CO3 (CO2 + H2O = H2CO3) là loại axit yếu dễ bị phân hủy thành các cation và anion (H2CO3 = H+ + HCO3- và

H2CO3 = 2H+ + CO32-) Sự xuất hiện của các anion HCO3- và CO32- làm tăng độ cứng của nước ngầm Ngoài ra, anion SO42- làm cho nước hidrocabonat trở thành nước sunfat - hidrocabonat làm tăng độ khoáng hóa của nước ngầm [13]

Quá trình UCG còn tạo ra các sản phẩm khác trong giai đoạn phân rã nhiệt của than tại khoang khí hóa như hắc ín, phenol, benzen, xianua, sunfuaxianua và các kim loại nặng Hg, Pb, Cd, As, Se, … Phần lớn các chất đó được đưa lên bề mặt cùng với khí sản phẩm dưới dạng chất ngưng tụ Tại khu vực khí hóa, đất đá bị biến dạng, nứt nẻ dẫn đến sự thất thoát khí dưới ngầm Khi áp lực tại khoang khí hóa lớn

hơn áp lực đất đá xung quanh, các chất ô nhiễm có thể xâm nhập, phát tán vào nước ngầm và gây ô nhiễm nước ngầm Theo thời gian, cùng với sự vận động của nước ngầm, các chất đó có thể lan tỏa và phát tán ra xung quanh khu vực khoang khí hóa

Dự án UCG ở Hoe Creek, Hanna, Fairfield, Mỹ những năm 1970-1980 đã tạo ra các sản phẩm tương tự như trên và gây ô nhiễm nước ngầm [13]

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước tại khu vực

thử nghiệm UCG (Fairfield, Mỹ) [13]

Thành phần hóa học Nồng độ trước khi khí hóa

So sánh một số chỉ tiêu trong bảng 1.1 với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT), hàm lượng các chất ô nhiễm tạo

ra trong quá trình khí hóa than ngầm vượt quá giới hạn cho phép gấp nhiều lần (bảng 1.2)

Bảng 1.2 So sánh nồng độ chất các chất ô nhiễm trong nước ngầm khu vực khí hóa

than ngầm với quy chuẩn hiện hành của Việt Nam

Giới hạn nồng độ chất ô nhiễm theo QCVN 40:2011/BTNMT

Nồng đồ chất ô nhiễm trong nước ngầm sau quá trình khí hóa than ngầm

Sau khi được đưa lên mặt đất, các chất ô nhiễm trên có thể phát tán ra môi trường xung quanh làm ô nhiễm đất, nước và không khí nếu ch ng không được thu gom, bảo quản, xử lý theo quy định

Như vậy, lượng nước trong khoang UCG, lượng nước ngưng tụ trong quá trình khí hóa cần phải xử lý trước khi thải ra môi trường Quá trình xử lý các chất ô nhiễm trong khoang khí hóa là rất phức tạp, cần chi phí lớn và thực hiện trong nhiều năm

b Ảnh hưởng tới trữ lượng và động thái của nước ngầm

Quá trình UCG tạo ra nhiệt độ và áp suất cao tại kênh phản ứng gây ảnh hưởng tới chế độ vận động và trạng thái của nước ngầm khu vực lân cận Áp suất lớn tại kênh khí hóa tác động lên áp lực thủy tĩnh của nước ngầm, nhiệt độ của nước ngầm tăng làm cho độ nhớt của nước giảm đi, do đó nước ngầm sẽ vận động với tốc

độ nhanh hơn so với động thái ở điều kiện tự nhiên

Đồng thời, quá trình UCG làm biến dạng (sập đổ, nứt nẻ) đất đá xung quanh khoang khí hóa do nhiệt độ tăng cao, đồng thời để lại khoảng trống trong lòng đất Khi áp suất của lò khí hóa không được duy trì, nước ngầm ở trên, dưới vỉa than khí hóa sẽ theo các khe nứt của đất đá tràn vào khoảng trống và một phần nước ngầm bị bốc hơi (do nhiệt độ cao tại khoang khí hóa) làm cho mực nước ngầm bị hạ thấp Trữ lượng của các tầng chứa nước ngầm ở trên, dưới vỉa than bị suy giảm

1.2.2 Ảnh hưởng đến mặt đất

a Sử dụng diện tích bề mặt

UCG là một công nghệ khai thác than Công nghệ UCG cũng cần sử dụng diện tích mặt đất để triển khai các hạng mục xây dựng hạ tầng, khoan các lỗ khoan sản xuất, lắp đặt hệ thống đường ống dẫn khí,… Công nghệ UCG chiếm dụng diện tích mặt đất không lớn tùy thuộc vào công suất khí hóa và trữ lượng than của khu vực khí hóa Tổng diện tích đất đai bị phá huỷ hàng năm đối với dự án UCG tăng ít

do không có bãi thải đất đá

b Sụt lún, biến dạng mặt đất

Trong quá trình UCG, lượng than bị đốt cháy tại vỉa sẽ để lại các khoảng trống Do ảnh hưởng của nhiệt độ, áp lực của lò khí hóa làm cho khối đất đá xung quanh bị dịch chuyển, đặc biệt là khối đất đá ở phần trên vách vỉa than Mức độ dịch chuyển của khối đất đá mỏ phụ thuộc vào chiều sâu khí hóa, chiều dày, chất lượng của vỉa than, các đặc tính kiến tạo (đặc điểm địa chất, tính chất cơ lý) của khối đất đá mỏ và hệ thống UCG

Sự dịch chuyển của khối đất đá ở phần trên vỉa than trong quá trình UCG được chia thành bốn khu vực: sập đổ, phá hủy, biến dạng và l n (hình 1.3) [16]

Hình 1.3 Ảnh hưởng khí hóa than ngầm đối với mặt đất [16]

Thực tế, quá trình UCG đốt cháy các vỉa than làm tro, xỉ than cùng đất đá vách rơi xuống phía dưới kênh khí hóa và nước ngầm chảy vào khoảng trống khiến cho các khoảng trống dần dần được lấp đầy theo thời gian

Tốc độ sụt l n ở trên bề mặt khu UCG thường khá nhỏ, khó nhận biết và biến đổi theo thời gian Tác động sụt l n mặt đất có thể xảy ra trong hoặc sau khi thực hiện các dự án khí hóa Sụt l n mặt đất gây thiệt hại trực tiếp đến con người và thiết bị của dự án, gây sập đổ các công trình xây dựng, biến đổi môi trường bề mặt,

có thể gây ô nhiễm, suy thoái tài nguyên đất, nước

Hầu hết những tác động sụt l n do khai thác nước ngầm, khai thác hầm mỏ, xây dựng đập thủy điện đều ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến sự an toàn cho con người và môi trường Đối với hoạt động UCG tại vùng Đồng bằng sông Hồng, tác

đông sụt l n cần được ưu tiên nghiên cứu và dự báo chi tiết

1.2.3 Ảnh hưởng đến các yếu tố môi trường khác

a Đất đai: Nhiên liệu, dung dịch khoan, chất thải rắn, nước thải của dự án

UCG nếu không được bảo quản, thu gom, vận chuyển an toàn sẽ làm ô nhiễm đất tại khu vực dự án Khi triển khai dự án UCG có thể gây ô nhiễm đất khi có các sự

cố trên các đường ống dẫn khí Ngoài ra, việc sử dụng mặt bằng xây dựng và lắp đặt thiết bị phục vụ dự án sẽ chiếm dụng một diện tích đất nhất định

b Không khí: Các rủi ro trong UCG có thể gây rò rỉ khí qua các tầng đất đá

lên bề mặt hoặc các sự cố trên đường ống dẫn khí sẽ làm ô nhiễm không khí

c Tài nguyên nước: Hoạt động UCG cũng có nhu cầu sử dụng tài nguyên

nước, nước phục vụ cho duy trì các phản ứng hóa học trong kênh phản ứng, nước làm lạnh và nước làm sạch khí sản phẩm Các nhà máy UCG cũng tạo ra nước thải Như vậy, UCG cũng có thể gây ra những ô nhiễm đối với cả nước ngầm và nước mặt

1.3 Tác động môi trường của hoạt động khí hóa than ngầm trên thế giới

Hoạt động UCG trên thế giới chủ yếu mới dừng lại ở các dự án thử nghiệm, các tác động môi trường của UCG cần được xem xét bao gồm: ô nhiễm (nước ngầm, nước mặt và không khí; sụt l n, biến dạng mặt đất; cháy nổ

Quá trình UCG liên quan đến việc đốt cháy than dưới lòng đất tạo ra hydrocarbon độc hơn, thậm chí có thể gây ung thư như benzene, toluene, ethyl - benzen và xylen [13] Khối lượng lớn các hợp chất này được đưa lên bề mặt cùng với khí sản phẩm và cần chi phí lớn để xử lý

Hoạt động thử nghiệm UCG trước đây đã liên tục dẫn đến ô nhiễm bởi các chất độc hại và gây ung thư Nhiệt độ, áp suất trong quá trình khí hóa đã tạo ra một

cơ chế để lây lan ô nhiễm Khả năng kiểm soát các phản ứng để ngăn chặn phát tán chất ô nhiễm là khó khăn khi ch ng đang tự xảy ra trong lòng đất với chiều sâu lớn Tuy nhiên, con đường chính để phát tán chất ô nhiễm lên mặt là thông qua hệ thống các giếng khoan Trong ba dự án thử nghiệm gần đây ở Úc đã có hai dự án bị đóng cửa do các hợp chất độc hại phát tán ra môi trường xung quanh [16]

Sụt l n, biến dạng mặt đất của các dự án UCG cũng rất phức tạp Sau khi các vỉa than bị khí hóa sẽ tạo ra các khoang trống, phần vòm của khoang trống đó xảy ra hiện tượng sập đổ đất đá Sự sập đổ của các tầng địa chất nằm phía trên vòm của khoang trống có thể dẫn đến sụt l n bề mặt, gây thiệt hại cho tất cả những gì đang tồn tại trong vùng ảnh hưởng

Hiện tượng sụt l n, động đất là khá phổ biến trong hoạt động khai thác than thông thường nhưng ch ng được kiểm soát thông qua việc thi công và sử dụng các công trình ngầm Đối với công nghệ UCG, việc kiểm soát các tác động trên sẽ gặp

đánh giá, kiểm soát từ trước sẽ gây thiệt hại lớn về người, vật chất và khó khắc phục

Hình 1.4 Sụt lún tại dự án thử nghiệm UCG, Hoe Creek III, Mỹ [14]

Nhiều dự án thử nghiệm đã tiến hành ở Chinchilla - Úc với tổng cộng khoảng 40.000 tấn than được khí hóa Các vỉa than ở đây nằm ở độ sâu khoảng 140m, có chiều dày khoảng từ 6,5 đến 10m Sau thử nghiệm Chinchilla 1 năm 2000, kết quả quan trắc đã xác nhận có hiện tượng lún bề mặt khoảng vài milimet Dự án thử nghiệm Chinchilla II, Chinchilla III đang hoạt động nhưng chưa xác định được có sụt lún hay không [7]

Hydro (H2) và khí metan (CH4) được tạo ra bởi quá trình UCG đều không màu, không mùi và dễ nổ Khí carbon monoxide (CO) cũng được tạo ra từ UCG, đây cũng là một khí không màu, không mùi có thể gây chết người và động vật ở nồng độ rất thấp Quá trình UCG cũng tạo ra các loại sáp, các loại hắc ín dần dần được tích tụ trong giếng và đường ống Một số dự án thử nghiệm đã xảy ra nổ trong giếng khoan và đường ống

Hình 1.5 Sự cố cháy nổ tại dự án UCG Hoe Creek III, Mỹ [14]

Ngoài ra, công nghệ UCG cũng tạo ra một môi trường làm việc nguy hiểm,

dễ xảy ra tai nạn lao động và có nguy cơ mắc các bệnh nghề nghiệp

Trong hoạt động UCG các tác động ô nhiễm, cháy nổ, đặc biệt là sụt lún mặt đất thuộc dạng các tác động tiềm ẩn Các tác động tiềm ẩn đó có thể xảy ra hoặc không xảy ra trong từng trường hợp đối với từng dự án cụ thể Vì vậy, có thể hiểu những sự cố trong hoạt động UCG có thể xảy ra ở khâu vận hành và sau vận hành Mức độ nguy hiểm của rủi ro nói trên tùy thuộc vào quy mô, phương pháp và địa điểm thực hiện UCG

1.4 Các phương pháp nghiên cứu rủi ro trong hoạt động khí hóa than ngầm

Trong hoạt động UCG, rủi ro môi trường chủ yếu được đánh giá, dự báo bằng các nhóm phương phương pháp kinh nghiệm và nhóm phương pháp mô hình

Cả hai nhóm phương pháp trên có thể được áp dụng, vận dụng từ hoạt động khai thác than hầm lò, thi công công trình ngầm Trong giới hạn nghiên cứu, luận văn chủ yếu tập trung dự báo tác động rủi ro sụt lún mặt đất

1.4.1 Nhóm phương pháp kinh nghiệm

* Phương pháp tính lún của Bộ than quốc gia Anh [17]

Phương pháp tính l n của Bộ than quốc gia Anh năm 1975 được sử dụng để tính toán nhanh các kết quả dự báo lún thông qua việc sử dụng các bảng biểu có sẵn Phương pháp tính toán sụt lún sử dụng các thông số cơ bản: chiều sâu, chiều dày, góc dốc của vỉa than và kích thước khoảng khai thác Luận văn không sử dụng phương pháp này để dự báo sụt lún

* Phương pháp tính toán l n trong hoạt động thi công hầm giao thông [19] Theo cách tính l n cho đường hầm, đường hầm có thể bị lún là do mất mát thể tích, hào lún phát triển tại bề mặt trong khi thi công đào hầm Hình dạng của hào lún phụ thuộc vào tính chất của địa tầng Hào lún theo chiều ngang so với trục hầm

có thể được thể hiện tương đối bằng một đường cong phân bố Gauss đảo chiều, trong đó kích thước và hình dạng có thể được xác định chủ yếu thông qua hai thông

số: mất mát thể tích (V L ) và thông số chiều rộng hào lún (i) [19]

Hình 1.6 Dạng hào lún trên hầm [19]

Attewell et al (1986) and Rankin (1988) đã tóm tắt phương thức tiếp cận dựa trên kinh nghiệm được sử dụng rộng rãi để dự đoán sự sụt lún theo chiều thẳng đứng của phần sát, trực tiếp bề mặt do công tác đào hầm gây ra [19]

Hình 1.7 Mặt cắt ngang của hào lún [19]

Lún dọc tại mặt đất dưới gương hầm (sự dịch chuyển tối đa do công tác đào hầm gây ra, hình 1.7) được thể hiện đối với hầm đơn theo công thức sau:

2i

y

[19]

Trong đó [19]:

- S là độ lún của một điểm tại khoảng cách theo chiều ngang „y‟ từ trục hầm

- S max là độ lún tối đa trên trục hầm;

Phương pháp này chủ yếu áp dụng tính toán lún cho các công trình hầm thi công trong môi trường đất có tiết diện và chiều sâu nhỏ Trong khai thác than hầm

lò và UCG, phương pháp này ít được sử dụng để dự báo lún do quy mô và chiều sâu khai thác lớn Luận văn không sử dụng phương pháp này để dự báo lún

* Phương pháp vùng tương tự

Nội dung, bản chất của phương pháp vùng tương tự là sự so sánh vùng mỏ chưa được nghiên cứu với vùng mỏ đã được nghiên cứu dựa trên 3 dấu hiệu quan trọng [1]: Đặc điểm địa hình và cấu tr c địa tầng; Đặc tính cơ lý của đất, đá mỏ; Góc dịch chuyển theo phương của vỉa

Từ kết quả nghiên cứu cho phép r t ra các tham số về góc dịch chuyển cho

mỏ mới Các đại lượng này sẽ được xác định theo mỏ có các chỉ tiêu tương tự nhưng đã được nghiên cứu kỹ về quy luật dịch chuyển biến dạng

Phương pháp này có ưu điểm là cho phép xác định nhanh các tham số dịch chuyển cần thiết để phục vụ cho việc bảo vệ công trình và đảm bảo an toàn cho quá trình khai thác Nhược điểm của phương pháp là khó tìm được các vùng mỏ đồng thời tương tự nhau theo cả 3 chỉ tiêu trên, đồng thời các tham số dịch chuyển được xác định với độ tin cậy không cao Để khắc phục nhược điểm này, các mỏ cần tiến hành lập các trạm quan trắc thực địa ngay từ giai đoạn khai thác thử nghiệm để có

cơ sở dự báo các tham số dịch chuyển, biến dạng bề mặt có thể xảy ra cho vùng mỏ mới

* Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá trong phòng thí nghiệm có thể tiến hành bằng 3 phương pháp [2]: Nghiên cứu trên mô hình vật liệu tương đương;

Thí nghiệm trên mô hình bằng vật liệu hoạt tính quang học; Thí nghiệm trên các máy ly tâm đặc biệt

Mô hình vật liệu tương đương được thiết lập trên cơ sở môi trường thực tế thu nhỏ theo một tỉ lệ nhất định bằng những vật liệu tương đương Để mô hình thí nghiệm giống thực tế về hình thức, tính chất cơ học cần thiết dùng những vật liệu có tính chất cơ học thoả mãn định luật động lực học tương tự

Thí nghiệm trên mô hình vật liệu tương đương có ưu điểm là r t ngắn được thời gian quan trắc, cho phép điều chỉnh các thông số địa chất - khai thác một cách linh hoạt

Nhược điểm của mô hình là khó đạt được mức độ hoàn toàn giống với thực

tế Do vậy kết quả nghiên cứu trên mô hình vật liệu tương đương chỉ có ý nghĩa về mặt định tính, không phản ánh về mặt định lượng Kết quả dự báo các đại lượng dịch chuyển, biến dạng không đảm bảo được độ chính xác và chỉ có ý nghĩa bổ sung cho quá trình quan trắc ngoài thực địa

Xây dựng mô hình bằng vật liệu hoạt tính quang học để nghiên cứu sự phân

bố ứng suất đất đá xung quanh khoảng trống ngầm Hiện tại, phương pháp này chưa được ứng dụng nhiều do chi phí thực hiện rất lớn

Phương pháp thí nghiệm trên máy ly tâm để xác định các thông số về áp lực

mỏ còn có nhiều nhược điểm nên chưa được ứng dụng rộng rãi

* Phương pháp quan trắc thực địa

Các trạm quan trắc tại thực địa được xây dựng trước khi diễn ra hoạt động khai thác Công tác đo đạc thực địa được tiến hành từ khi bắt đầu khai thác cho đến khi kết th c quá trình dịch chuyển Kết quả quan trắc được thực hiện nhờ các thiết

bị, máy móc bằng quan trắc trắc địa và quan trắc địa vật lý [2]

Quan trắc trắc địa được tiến hành đối với các đối tượng chính là mặt đất, các công trình chịu ảnh hưởng của hoạt động khai thác, Quan trắc dịch chuyển là phương pháp đáng tin cậy, nhưng đòi hỏi phải quan trắc ở một phạm vi rộng, khối lượng công việc lớn và trong khoảng thời gian dài Kết quả nghiên cứu bằng quan

trắc không thể áp dụng để dự báo chung cho mọi trường hợp do điều kiện địa chất - khai thác luôn thay đổi

Trong quan trắc địa vật lý thường áp dụng các phương pháp đo sâu điện từ lưỡng cực, phương pháp mặt cắt điện để xác định vị trí, diện phân bố vùng ảnh hưởng do khai thác ngầm Trường hợp khai thác lặp, địa tầng đất đá bị phá huỷ mạnh, các phương pháp quan trắc địa vật lý cho hiệu quả không cao

* Phương pháp Kolbencov

Phương pháp Kolbencov dựa trên cơ sở chỉnh lý các kết quả quan trắc thực địa để xác định độ l n cực đại, độ l n cực đại phụ thuộc các yếu tố như: chiều dày, góc dốc vỉa than khai thác, tính chất cơ lý của đất đá, mức độ tổn thất khoáng sản, mức độ khai thác Như vậy, độ l n cực đại là một trong những thông số quan trọng

Đại lượng q0 phụ thuộc độ cứng đất đá và mức độ phá hoại của nó trước khi khai thác, độ cứng đất đá tăng, q0 giảm

Khi khai thác lặp lại so với khai thác lần thứ nhất, q0 tăng từ 10 † 20%, tại những vùng mỏ đất đá cứng còn tăng hơn nhiều

Giá trị bằng số của q0 xác định theo số liệu quan trắc thực địa hoặc chấp nhận theo phương pháp vùng tương tự

Hệ số mức độ khai thác N thể hiện sự giảm thành phần véctơ dịch chuyển đứng khi chuyển từ khai thác hoàn toàn sang khai thác không hoàn toàn

Hệ số được xác định theo công thức:

2

1n n

D1, D2 - chiều dài và chiều rộng khoảng khai thác, mét;

H - độ sâu khai thác trung bình (độ sâu tính tại điểm giữa của khu vự khai thác);

Ở vùng mỏ Donbass của Ucraina hệ số k kiến nghị lấy bằng 0,8 Đối với vùng mỏ này khi khai thác lần đầu, độ l n cực đại được xác định là:

Tính độ l n cực đại: (1.5) Trong đó:

a - hệ số mức độ khai thác;

m - chiều dày vỉa khai thác

- Tính độ nghiêng cực đại: (1.6) Trong đó:

;

H - độ sâu khai thác trung bình ;

Phương pháp tính toán dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng theo

GS S.Knothego chỉ áp dụng khi vỉa bằng và dốc thoải, với giả thiết thể tích bồn dịch chuyển là không đổi

* Phương pháp dự báo theo quy phạm của Viện Vnimi [6]

Phương pháp tổng hợp các phương pháp kinh nghiệm của Nga để xây dựng quy phạm kỹ thuật phục vụ tính toán dự báo lún mặt đất trong khai thác than ngầm Luận văn sử dụng phương pháp này để dự báo l n và được trình bày chi tiết trong chương 2

Qua kết quả phân tích, tổng hợp các phương pháp trên cho thấy phương pháp

dự báo theo quy phạm của Viện Vnimi (Nga) có tính đến các yếu tố địa chất - khai thác nên được luận văn lựa chọn, tính toán dự báo sụt lún mặt đất cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên

1.4.2 Nhóm phương pháp mô hình

* Phương pháp sử dụng nhóm phần mềm Plaxis 2D, 3D

Nhóm phần mềm Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự báo sụt lún, biến dạng mặt đất đối với công trình ngầm trong các lớp đất với thiết diện và độ sâu nhỏ Phương pháp dự báo có độ tin cậy cao do sử dụng các thông số đầu vào phản ánh đặc trưng cho tính chất cơ lý của môi trường đất xung quang công trình

ngầm Luận văn không sử dụng phương pháp này để dự báo lún do ứng dụng của phần mềm Plaxis chủ yếu trong môi trường đất chứa nước bão hòa

* Phương pháp sử dụng phần mềm Flac3D

Phần mềm Flac3D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự báo sụt lún

và biến dạng mặt đất, dự báo các đới đứt vỡ ở nóc công trình ngầm Phần mềm tính toán được áp dụng rộng rãi trong cả môi trường đất, đá chịu ảnh hưởng của nước ngầm Ngành khai thác mỏ tại các nước Tây âu và Trung Quốc chủ yếu sử dụng phần mềm này để dự báo sụt lún trong khai thác than hầm lò Dự án UCG tại Chillchina (Úc) cũng sử dụng phần mềm này để dự báo sụt lún mặt đất nhưng chưa công bố kết quả Đây là phần mềm có tính lập trình cao, các số liệu dầu vào đòi hỏi phải được mô hình dưới dạng các modul thành phần trong môi trường ứng dụng Luận văn không sử dụng mô hình Flac3D để dự báo sụt lún mặt đất do tính phức tạp của phần mềm và khu vực nghiên cứu chưa có đầy đủ các thông số địa kỹ thuật

* Phương pháp sử dụng phần mềm Phase2

Phần mềm Phase2 sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự báo sụt lún

và biến dạng mặt đất đối với các công trình ngầm thi công trong môi trường đá Đây

là phần mềm dễ sử dụng và kết quả dự báo của mô hình được ứng dụng để thiết kế các đường lò, khoang khí hóa trong khai thác than Luận văn lựa chọn phần mềm này để dự báo lún mặt đất và được trình bày chi tiết trong chương 2

Tóm lại, luận văn lựa chọn phương pháp dự báo theo quy phạm của Viện Vnimi và phương pháp sử dụng phần mềm Phase2 để dự báo lún cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên Nội dung, phương pháp luận của các phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU SỤT LÚN VÀ BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT TRONG HOẠT ĐỘNG KHÍ HÓA THAN NGẦM 2.1 Khái quát chung về sụt lún và biến dạng mặt đất trong khai thác than ngầm

Trong hoạt động khai thác than bằng công nghệ hầm lò hoặc UCG đều tạo ra khoảng trống trong lòng đất, làm mất cân bằng tự nhiên, có thể gây ra dịch chuyển, biến dạng và sụt l n mặt đất Luận văn sử dụng lý thuyết đánh giá dịch chuyển và biến dạng mặt đất trong khai thác mỏ hầm lò để dự báo sụt l n cho hoạt động UCG

Hình 2.1 Sơ đồ sụt l n trong hoạt động khai thác than ngầm [20]

Dịch chuyển đất đá và mặt đất là một trong những vấn đề quan trọng đối với hoạt động khai thác mỏ Trong điều kiện khai thác nhất định, các lớp đất đá, mặt đất dịch chuyển, biến dạng có thể làm hư hại các công trình, các đối tượng tự nhiên khác như ao hồ, sông, suối… và bản thân những công trình ngầm cũng chịu tác động trực tiếp Tác động dịch chuyển có thể làm cho các công trình nhà ở, nhà công nghiệp, đường ống, …bị hư hỏng Khi biến dạng đất đá xảy ra ở những khu vực giàu nước mặt như ao, hồ, sông, suối, … sẽ làm tăng nguy cơ bục nước vào hệ thống khai thác ngầm [1]

Trong hoạt động UCG, dịch chuyển và biến dạng đất đá sẽ xảy ra khi xuất hiện khoảng trống ngầm Kích thuớc, phạm vi dịch chuyển và biến dạng lớn hay nhỏ

thác và tính chất cơ lý của đất đá Trong nhiều trường hợp, biến dạng và dịch chuyển lan truyền tới mặt đất sẽ gây nên sụt l n

Dịch chuyển đất đá, sụt l n mặt đất trong khai thác than ngầm là một quá trình phức tạp Cùng một l c có thể xuất hiện các dạng lún khác nhau như: L n do tác động của trọng lực dưới dạng uốn võng các lớp đất đá; L n do tác động nén của các lớp dưới dạng áp lực tựa, trượt, đổ vỡ các lớp nằm trực tiếp trên vách của vỉa than đang khai thác vv…

Tuỳ thuộc vào cường độ dịch chuyển có thể quan sát thấy các dạng sau: Dịch chuyển không phá vỡ tính liên tục của đất đá; Dịch chuyển có tạo thành các đới dập

vỡ, khe nứt; Dịch chuyển gây sụt lở

Về biến dạng, thường có các dạng: nén, căng và trượt trong các trạng thái ứng suất đơn giản hoặc phức tạp Tính chất dịch chuyển các tầng đất đá phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố địa chất - khai thác như tính chất cơ lý và đặc điểm của đất đá, góc dốc, độ sâu khai thác, chiều dày vỉa, kích thước vùng trống khai thác, chiều dày lớp đất phủ, độ thấm nước của đất đá Mỗi một yếu tố kể trên trong điều kiện xác định đều có thể là yếu tố gây sụt l n Tổng hợp ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến sự dịch chuyển khác nhau là mục đích của việc nghiên cứu về dịch chuyển, biến

dạng đất đá và mặt đất trong khai thác mỏ [1]

Bảng 2.1 Tốc độ lún cực đại của mặt đất tỷ lệ nghịch với độ sâu khai thác [1]

Độ sâu khai thác trung

2.2 Phương pháp dự báo theo quy phạm của Viện Vnimi

Phương pháp dự báo lún theo quy phạm của Viện Vnimi được xây dựng trên

cơ sở tổng hợp các phương pháp giải tích và có tính đến một số yếu tố địa chất - khai thác [6] Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để dự báo sụt lún mặt đất tại các mỏ than ngoại ô thủ đô của Nga, các vùng than khác ở Ucraina và Ba Lan ở Việt Nam, phương pháp này đã và đang được ứng dụng tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh như mỏ than Thống Nhất, Hà Lầm [2]

Bản chất quá trình mở rộng khoang khí hóa cũng tương tự như việc mở rộng các đường lò trong khai thác tham khi chưa được chống giữ Do vậy, luận văn đã sử dụng phương pháp này để dự báo sụt lún mặt đất

2.2.1 Số liệu đầu vào

Số liệu đầu vào cơ bản của phương pháp bao gồm:

1 Chiều dày vỉa than tại khu vực khí hóa

2 Góc dốc vỉa than trong phạm vi khí hóa

3 Kích thước khoang khí hóa theo đường phương và hướng dốc của vỉa than khí hóa

4 Vị trí tương ứng giữa các khoang khí hóa trong không gian

5 Chiều dày lớp đất phủ, trầm tích chứa than trên các mặt cắt cơ bản bồn dịch chuyển trên mỗi khoang khí hóa

6 Vị trí các đứt gãy kiến tạo, trục nếp uốn và lộ vỉa của ch ng

7 Phương pháp điều khiển áp lực mỏ trong quá trình khai thác

8 Các thông số cơ sở để tính toán dịch chuyển và biến dạng dự kiến bao gồm:

- Góc biên giới;

- Góc l n cực đại (khi khai thác không toàn phần);

- Góc l n toàn phần (khi khai thác toàn phần);

- Đại lượng độ l n cực đại tương đối;

- Đại lượng dịch chuyển ngang cực đại tương đối;

- Hàm số phân bố dịch chuyển và biến dạng

2.2.2 Dự báo dịch chuyển biến dạng mặt đất của một khoang khí hóa

Dịch chuyển và biến dạng trên mặt cắt cơ bản của bồn lún (hình 2.6) [6]

Độ lún mặt đất cực đại được xác định theo công thức:

Độ l n mặt đất trên các mặt cắt cơ bản bồn dịch chuyển đƣợc xác định theo công thức:

Hình 2.2 Sơ đồ phân bố dịch chuyển và biến dạng tại các điểm trên mặt cắt cơ bản

của bồn dịch chuyển khi dịch chuyển kết thúc [1]

Trong đó:

a - mặt cắt theo đường phương; b - mặt cắt theo hướng dốc; 1 - độ l n; 2 - dịch chuyển ngang; 3 - độ nghiêng; 4 - độ cong; 5 - biến dạng ngang; AB - mặt phẳng đáy bồn dịch chuyển; CD - vùng thềm bậc nghịch; EF - vùng thềm bậc thuận

Độ nghiêng trên các mặt cắt cơ bản:

a Hướng theo đường phương

);

('

3

x m

m z S

i  

(2.4)

c Trong bán bồn dịch chuyển hướng dốc xuống

);

( 1'

Độ cong trên mặt cắt cơ bản bồn dịch chuyển khi góc dốc   45 được xác định theo các công thức:

a Hướng theo đường phương

 ;'' 2 3

x m

Khi khai thác dưới không toàn phần (N1,2 < 1), độ cong tại các điểm l n cực đại được xác định theo chiều dài trung bình của bán bồn dịch chuyển Ltb = 0,5 (L1 +

L2)

Dịch chuyển ngang tại các điểm trên mặt cắt cơ bản của bồn dịch chuyển:

a Hướng theo đường phương

)(5

b Hướng ngược với đường phương

)(5

Trong đó: a0 – dịch chuyển ngang cực đại tương đối;  - góc dốc vỉa than; Htb

- độ sâu khai thác trung bình; h – chiều dài lớp đất phủ; hm – chiều dày trầm tích chứa than (góc dốc địa tầng   45), m

Biến dạng ngang tại các điểm mặt cắt cơ bản bồn dịch chuyển:

a Hướng theo đường phương

);

(5

,

1 0

,

2 0

chất - khai thác Do vậy, phương pháp được lựa chọn để tính toán dự báo sụt lún mặt đất cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên

2.3 Phương pháp dự báo lún bằng phần mềm Phase2

2.3.1 Khái quát chung về chương trình Phase2

Phase2 là phần mềm được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) để phân tích ứng suất và biến dạng cho công trình ngầm, bờ dốc v.v, được thi công trong khối đất hoặc đá Phần mềm Phase2 có thể

mô hình được nhiều loại đất đá khác nhau theo các tiêu chuẩn bền Mohr-Coulomb hoặc Hoek-Brown Ngoài ra, chương trình Phase2 có thể sử dụng để tính toán ổn định cho công trình ngầm hoặc nền móng các công trình trên bề mặt

Phần mềm Phase2 chia môi trường nghiên cứu thành một mạng các phần tử

có kích thước hữu hạn, tiếp x c với nhau bởi các n t Bằng phương pháp đó, việc giải một hệ các phương trình vi phân được đưa về dạng giải một hệ các phương trình đại số, liên kết các lực tại các n t với các chuyển vị n t qua "ma trận độ cứng" Các hàm số "hình dạng" và nội suy được áp dụng để diễn tả các biểu hiện ứng suất, biến dạng của từng phần tử Vì vậy, phần mềm Phase2 xử lý dữ liệu rất nhanh và cho kết quả tin cậy

Về mặt lý thuyết, khi tiến hành đào một đường hầm, đường lò trong không gian ngầm sẽ tạo ra những khoảng trống giống như khoảng trống trong quá trình UCG Phần mềm Phase2 được sử dụng hiệu quả để mô hình hóa các công trình ngầm trong môi trường đá Các vỉa than vùng Khoái Châu, tỉnh Hưng Yên nằm trong địa tầng đá trầm tích tương đối đơn giản

Mô hình Phase2 được xây dựng theo phương pháp phần tử hữu hạn, của hãng Rocscience Các bài toán biên 2 chiều được thiết lập cho các trường hợp: đường lò đào trong than, đường hầm đào trong đá có một hệ khe nứt, đường hầm đào gần đới phá hủy, đường hầm đào gần hang hốc chứa nước (t i nước) và lò chợ khai thác than hầm lò [3]

Trong thiết kế, thi công các đường lò khai thác than mới tại mỏ than Khe Chàm và mỏ than Thống Nhất, phần mềm Phase2 được áp dụng để dự báo dịch động, biến dạng mặt đất và mức độ ảnh hưởng tới các đường lò khai thác khác Cùng với phương pháp quan trắc dịch động bằng hệ thống mạng lưới các điểm quan trắc, phần mềm Phase2 góp phần tích cực vào việc dự báo quy mô và mức độ tác

động của tác tai biến địa chất trong khai thác than hầm lò như l n, dịch chyển ngang của các đường lò

Dịch động và l n trong khai thác than là vấn đề đang được ch ý nhiều, khi

ch ng ta chuẩn bị khai thác than vùng đông bằng Sông Hồng Có khá nhiều công thức kinh nghiệm đã được xây dựng, nhằm dự báo mức độ l n sụt trên mặt đất Nói chung l n sụt trên mặt đất là hàm số của nhiều yếu tố tác động khác nhau Do vậy không phải bao giờ cũng có thể sử dụng các công thức kinh nghiệm thu được cho vùng nào đó để áp dụng ngay cho vùng khác, nhất là khi điều kiện địa chất có dấu hiệu khác nhau Các phương pháp số khác nhau cho phép ch ý được các điều kiện địa chất nhất định, việc lựa chọn và sử dụng hợp lý phương pháp số sẽ cho phép có được nhận định, dự báo gần đ ng hơn [3]

Theo phân tích ở trên, luận văn đã sử dụng phần mềm Phase2 để dự báo sụt

l n cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên

2.3.2 Điều kiện và cơ sở lựa chọn mô hình Phase2

Mô hình Phase2 được sử dụng để phân tích, đánh giá, dự báo biến dạng và sụt l n mặt đất khi thi công các công trình ngầm trong môi trường đất, đá Phần mềm Phase2 sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán dịch chuyển và biến dạng trong môi trường đàn hồi Giả thiết ban đầu của phần mềm Phase2 là thiết lập lưới các phần tử trong môi trường đàn hồi Đất đá, địa tầng khu vực nghiên cứu

là môi trường đàn hồi Sự phát triển của khoang khí hóa trong lòng đất được nhận định như sự mở rộng của các đường lò khai thác than ngầm khi chưa được gia cố, chống giữ Đó là giả thiết và điều kiện để luận văn áp dụng mô hình Phase2 phục vụ tính toán, dự báo l n cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên

Dự án thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hưng Yên được thiết kế khi khu vực nghiên cứu chưa có kết quả thăm dò địa chất chi tiết Đặc tính địa chất thủy văn, địa chất công trình chi tiết của địa tầng chứa than từ mức -120m trở xuống chưa được xác minh làm rõ

Trên cơ sở kết quả thăm dò sơ bộ, kết quả nghiên cứu địa chất hiện có, luận văn đã lựa chọn các thông số đặc trưng về địa chất mỏ, tính chất cơ lý của địa tầng

đất, đá để phục vụ tính toán, dự báo sụt l n mặt đất Các phương pháp kinh nghiệm được áp dụng tính toán, dự báo sụt l n mặt đất khi thi công các công trình ngầm trong môi trường đá ở độ sâu lớn (dưới -450m) sẽ có độ tin cậy thấp Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, các phương pháp kinh nghiệm chưa quan tâm đến các thông số điều kiện khai thác mỏ như cường độ kháng nén, lực dích kết, môđul đàn hồi của khối đá, đất mỏ Các thông số liên quan đến hình thái công trình ngầm trong khai thác than thường được sử dụng là các hệ số kinh nghiệm hoặc áp dụng, sử dụng các thông số cho các khu vực có điều kiện và đặc điểm địa chất cơ bản tương đồng với nhau Phần mềm Phase2 đã quan tâm đến cả hình thái và tính chất cơ lý của địa tầng chứa công trình ngầm khi dự báo sụt l n

Thực tế, quá trình sập đổ tự nhiên của các lớp đất đá phía trên vỉa than trước

và sau khi kết th c khai thác hầm lò cũng được dự báo bằng phần mềm Phase2 Phần mềm Phase2 đã được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế, thi công các công trình ngầm (đường hầm, hầm mỏ, …) trong môi trường đá Khả năng ứng dụng tốt nhất của phần mềm Phase2 là tính toán, dự báo sụt l n và biến dạng theo các phương khác nhau trong quá trình thi công công trình ngầm trong môi trường đất,

Phần mềm Phase2 sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở nội suy, liên kết chuỗi quan hệ các lực đàn hồi, dích kết của rất nhiều phần từ qua hệ thống lưới đồng nhất Phần mềm Phase2 sẽ nội suy, tính toán dự báo dịch chuyển, biến dạng, sụt l n mặt đất của khoang khí hóa trong môi trường đá đàn hồi