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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2014
MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ THAN KHAI THÁC HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 6
1.1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác hầm lò trên thế giới 6
1.2. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới 9
1.2.1. Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 9
1.2.2. Phương pháp tháo và thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò 13
1.2.3. Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo và thu hồi khí Mêtan trong hầm lò 17
1.3. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở Việt Nam 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC ẢNH HƯỞNG TỚI CÔNG TÁC KHOAN VÀ TÌNH TRẠNG KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ
2.1. Đặc điểm địa chất và tính chất cơ lý đá 24
2.1.1. Đặc điểm cấu trúc địa tầng 24
2.1.2. Đặc điểm kiến tạo và hệ thống đứt gẫy 25
2.1.3. Tính chất cơ lý đá 26
2.2. Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê 29
2.3. Hiện trạng khai thác than và tình trạng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 30
2.3.1. Hiện trạng khai thác than ở mỏ Mạo Khê 31
2.3.2. Đặc điểm tiềm tàng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 34
2.3.3. Các giải pháp an toàn phòng ngừa khí Mêtan xuất hiện trong lò 38

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 41
3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang 41
3.1.1. Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá 41
3.1.2 Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang 45
3.1.3. Các dạng phức tạp trong khoan ngang 47
3.2. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51
3.2.1. Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51
3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê 55
3.2.3. Lựa chọn phương pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 58
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP KHOAN XOAY - ĐẬP ĐỂ KHOAN CÁC LỖ KHOAN NGANG THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 66
4.1. Thiết bị khoan thử nghiệm 67
4.2. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố chế độ công nghệ khoan ngang tới tốc độ cơ học khoan 70
4.3. Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý 79
4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112
PHẦN PHỤ LỤC 117

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ than của các ngành công nghiệp Việt Nam, trong những năm qua, sản lượng khai thác than ở các mỏ than vùng Quảng Ninh đã liên tục tăng nhanh. Trong tương lai, các mỏ than sẽ phải nâng cao công suất khai thác và phát triển mỏ theo bề rộng và xuống sâu. Đối với mỏ than hầm lò, khi khai thác xuống sâu thường gặp nhiều nguy cơ mất an toàn trong khai thác, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí Mêtan.
Trong những năm gần đây, một số mỏ vùng Quảng Ninh đã xảy ra các vụ nổ khí lớn gây thiệt hại đến người và tài sản mỏ như Công ty than Mạo Khê năm 1999 làm thiệt mạng 19 người, hai vụ nổ khí liên tiếp xảy ra tại Xí nghiệp than Khe Chàm II và Xí nghiệp khai thác than 909 năm 2002 làm chết 13 người. Tháng 3 năm 2006, tại Công ty than Thống Nhất đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm chết 8 người và gần đây nhất là vụ nổ khí tại Công ty than Khe Chàm ngày 09 tháng 12 năm 2008 làm chết 11 người.
Theo Quyết định số 1338/QĐ-BCT ngày 17/03/2009 của Bộ Công Thương về việc xếp loại mỏ theo khí Mêtan thì Mỏ than Mạo Khê được xếp loại mỏ siêu hạng với độ xuất khí Mêtan tương đối là 15,58 m3/T.ngày-đêm. Với độ xuất khí như trên, cần phải nghiên cứu và áp dụng các giải pháp tháo và thu hồi khí Mêtan nhằm phòng ngừa những hiểm họa cháy nổ khí Mêtan, đảm bảo an toàn trong khai thác.
Song song với việc áp dụng phương pháp thông gió truyền thống để làm giảm hàm lượng khí Mêtan trong mỏ đến mức an toàn; Mỏ Mạo Khê cũng đã bắt đầu áp dụng phương pháp khoan các lỗ khoan theo các hướng khác nhau để tháo khí Mêtan trong các vỉa than, trong các khu vực đã khai thác và trong đá vách bao quanh khu vực khai thác. Thực tế cho thấy, khi khoan các lỗ khoan ngang dài đều cho năng suất thấp và không đạt tới chiều dài thiết kế; nguyên nhân chủ yếu là do chưa lựa chọn được phương pháp khoan và công nghệ khoan hợp lý, phù hợp với yêu cầu, mục đích tháo khí Mêtan của mỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phương pháp khoan, công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan các lỗ khoan tháo khí ở mỏ Mạo Khê phù hợp với điều kiện địa chất mỏ, điều kiện khai thác ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn khai thác, giảm ô nhiễm môi trường là rất cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn đáp ứng các nhu cầu sản xuất không chỉ riêng mỏ Mạo Khê hiện nay, mà còn cho các mỏ than khai thác hầm lò ở Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu lựa chọn phương pháp và công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn trong khai thác mỏ. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học và thực tiễn áp dụng cho các mỏ khai thác than hầm lò ở Việt Nam có nhu cầu khoan tháo khí.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác ở mỏ than Mạo Khê.
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu đặc điểm công nghệ khoan ngang; công nghệ khoan xoay - đập trong điều kiện địa chất mỏ Mạo Khê; mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ cơ học khoan như tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần của bộ dụng cụ khoan; tần số đập của cơ cấu đập và chi phí năng lượng cho quá trình phá hủy đá trong khoan xoay - đập.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật liên quan tới khoan tháo khí trong hầm lò trên thế giới và trong nước.
Nghiên cứu đặc tính công nghệ khoan ngang và công nghệ khoan xoay - đập bằng ống mẫu luồn để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong các mỏ than khai thác hầm lò.
Nghiên cứu thử nghiệm khoan xoay - đập để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong điều kiện thực tế mỏ Mạo Khê.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, lựa chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê và xác định hiệu quả tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan ngang.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, nghiên cứu, phân tích tài liệu và số liệu liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu đề tài;
- Thử nghiệm trong điều kiện thực tế; quan trắc và thu thập số liệu thực tế về công nghệ khoan xoay - đập khi khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo Khê;
- Ứng dụng phương pháp toán xác suất thống kê, phân tích và xử lý các số liệu quan trắc thực tế để lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo Khê, không chỉ khắc phục các nhược điểm khi khoan bằng phương pháp khoan xoay, mà còn nâng cao tốc độ cơ học khoan, hiệu quả tháo khí. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học, luận chứng để lựa chọn công nghệ khoan tháo khí ở các mỏ than khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh.
- Ý nghĩa thực tiễn: lựa chọn các thông số chế độ khoan ngang hợp lý tháo khí ở mỏ Mạo Khê bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác
18
để nâng cao hiệu quả khoan và tháo khí, đáp ứng kịp thời nhu cầu hiện tại về tháo khí Mêtan của mỏ.
7. Điểm mới của luận án
Nghiên cứu đề xuất áp dụng công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò Mạo Khê bằng phương pháp khoan xoay - đập và công nghệ khoan ống mẫu luồn thay thế cho khoan xoay truyền thống. Thử nghiệm trong điều kiện sản xuất, lựa chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong điều kiện mỏ Mạo Khê.
8. Luận điểm bảo vệ
- Áp dụng phương pháp khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê là hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác mỏ và nhu cầu tháo khí hiện tại của mỏ.
- Khoan ngang bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89, tốc độ cơ học trung bình tăng từ 1,45 lần đến 1,7 lần và năng lượng chi phí cho phá hủy đá giảm từ 70% đến 51% so với phương pháp khoan xoay trong cùng một điều kiện đá, cùng loại thiết bị và chế độ khoan nhưng không sử dụng năng lượng đập.