Giáo trình Nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu: Phần 1 (Dùng cho trình độ cao học)

78

BỘ CƠNG THƢƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH

TS. Hồng Hùng Thắng
TS. Lê Văn Thao
TS. Phạm Đức Thang

GIÁO TRÌNH

NÂNG CAO HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ
THỐT NƯỚC KHI KHAI THÁC
XUỐNG SÂU
D NG CHO TR NH Đ

CAO HỌC

QUẢNG NINH – 2020
1


Trang phụ bìa

2


LỜI NĨI ĐẦU
Thơng gió là biện pháp cơ bản nhất để cải thiện điều kiện làm việc và nâng cao
mức độ an tồn cho ngƣời làm việc trong hầm lị. Thơng gió cịn là một giải pháp hữu
hiệu nhất để phịng chống cháy nổ khí Metan và bụi than. Cơng việc chủ yếu của thơng

gió mỏ là duy trì trong các đƣờng lị đang hoạt động một bầu khơng khí sạch, mang lại
cho ngƣời làm việc cảm giác nhiệt thích hợp với điều kiện lao động và đƣa hàm lƣợng
khí độc, khí cháy nổ, bụi mỏ đến mức độ an tồn theo quy định.
Giáo trình nâng cao hiệu quả thơng gió thốt nƣớckhi khai thác xuống sâu đƣợc
biên soạn theo Đề cƣơng môn học của Ngành Khai thác mỏ dành cho học viên cao học
đƣợc Khoa Mỏ và Cơng trình, Trƣờng Đại học Công nghiệp Quảng Ninh thông qua
.Trong quá trình biên soạn, giáo trình đã tham khảo và chọn lọc tài liệu từ các sách và
giáo trình trong lĩnh vực thơng gió thốt nƣớcchun ngành khai thác mỏ của các
trƣờng Đại học, Viện nghiên cứu khoa học, cũng nhƣ hệ thống Quy chuẩn, Quy phạm
trong và ngoài nƣớc nhằm giúp các học viên nâng cao đƣợc lý luận và thực tiễn về lĩnh
vực này.
Giáo trình nâng cao hiệu quả thơng gió thốt nƣớckhi khai thác xuống sâu
khơng chỉ là tài liệu dành cho học viên cao học ngành khai thác mỏ, mà cịn có thể sử
dụng để tham khảo cho các kỹ sƣ ngành khác nhƣ: Xây dựng mỏ, Xây dựng cơng trình
ngầm và mỏ, Kinh tế mỏ,… và cho các nhà khoa học, quản lý mỏ.

3


Chương 1
ĐẶC ĐIỂM KHƠNG KHÍ MỎ HẦM LỊ KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU
1.1. Khái qt chung về khơng khí mỏ
1.1.1. Khí trời
Xung quanh trái đất có bầu khí quyển dày hàng trăm km thành phần của khí
quyển là hỗn hợp của nhiều loại khí O2, N2, CO2, khí trơ; khí quyển có tầm quan trọng
đặc biệt đối với sự sống của sinh vật trên trái đất.
Nó nhƣ tấm lá chắn để ngăn cách các tia bức xạ có hại của vũ trụ;
Là mơi trƣờng điều hồ nhiệt độ và nƣớc trên trái đất;
Cung cấp Oxi cho quá trình sống của động vật.
Khí trời là một hỗn hợp của nhiều chất khí kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất

định. Thành phần chủ yếu của nó chủ yếu là Nitơ, Oxi và một ít hơi nƣớc. Ngồi ra
thành phần của khí trời cịn có một lƣợng rất nhỏ các chất khí nhƣ cácboníc, các chất
khí trơ: Argon, Neon, Kripton, Heli, Ozon, v.v...
Khơng khí khi có chứa hơi nƣớc gọi là khơng khí ẩm, ngƣợc lại gọi là khơng
khí khơ.
Thành phần hơi nƣớc trong khơng khí ẩm có tỷ lệ thay đổi trong một khoảng
khá rộng từ 0 đến 3% theo trọng lƣợng tuỳ theo vùng địa lý và thời gian trong ngày,
trong năm.
Thành phần các chất khí trong khơng khí khơ tính theo % đƣợc giới thiệu ở
bảng 1.1. và hình 1.1.

Hình 1.1. Thành phần của khí quyển

4


Bảng 1.1. Tỷ lệ % các chất khí trong khơng khí khơ
Tên các chất khí

Tỷ lệ % theo

Ký hiệu hố
học

Thể tích

Trọng lượng

Nitơ

N2

78,08

75,6

Oxi

O2

20,95

23,1

Acgon

Ar

0,9325

1,286

Cacbonic

CO2

0,03

0,046

Neon

Ne

0,0018

0,0012

Heli

He

0,0005

0,00007

Kripton

Kr

0,00011

0,0003

Xenon

Xe

0,000008

0,00004

Ozon

O3

1.10-6

-

Radon

Rn

6.10-8

-

1.1.2. Khơng khí mỏ.
Khơng khí mỏ là hỗn hợp cơ học giữa khí trời và các loại khí độc, khí cháy nổ,
bụi sinh ra trong q trình khai thác mỏ. Về thực chất khơng khí mỏ là khí trời nhƣng
khi đi vào mỏ bị thay đổi về thành phần và hàm lƣợng.
- Sự thay đổi về thành phần: Do xuất hiện các loại khí độc, khí cháy, bụi mỏ và
một số chất khí khác.
- Sự thay đổi về hàm lƣợng: Hàm lƣợng O2 giảm; khí CO2,, khí độc, khí cháy tăng.
Hay cũng có thể nói khơng khí mỏ là hỗn hợp các chất khí và hơi nƣớc chứa
đầy các moong ở mỏ lộ thiên và chứa đầy các đƣờng lò ở mỏ hầm lò, đồng thời bao giờ
cũng chứa một lƣợng bụi nhất định.
Khơng khí mỏ lộ thiên chính là khí trời ở các mỏ lộ thiên, song thành phần của
nó đã có hàng loạt sự thay đổi, cụ thể là thốt ra nhiều chất khí cháy và độc.

Cịn khơng khí ở mỏ hầm lị chính là khí trời từ mặt đất đi vào mỏ qua các
đƣờng lò sẽ bị thay đổi hàng loạt các tính chất lý hố. Nói chung hàm lƣợng O2 giảm
đi, cịn CO2 và N2 tăng lên, đồng thời có sự xuất hiện nhiều chất khí mới, lƣợng bụi
cũng tăng lên.

5


Ở các mỏ hầm lị các chất khí mới thốt ra bao gồm:
- Các khí độc: Các Oxit nitơ (NO, NO2, N2O3, N2O5 ), amôniac (NH3), Sunfuaro
(SO2); Oxitcacbon (CO) và Sunfuahiđro (H2S), hơi Asen, thuỷ ngân, các aldehyde,
akrolein, cianua hidro.
- Các khí nổ: Oxitcacbon (CO), Sunfuahidro (H2S), Metan, Hidro (H2) và
Cacbuahidro.
- Các khí có tính phóng xạ: Radơng ( Rn) và Thơrom (Th).
Các luồng khơng khí trong mỏ đƣợc phân thành hai loại:
- Luồng khơng khí sạch, khi thành phần của nó gần với thành phần khí trời.
- Luồng khơng khí bẩn, khi thành phần của nó khác với thành phần khí trời.
Luồng khơng khí bẩn có thể là:
- Luồng khơng khí có hại, khi hàm lƣợng của N2 và CO2 tăng lên cịn O2
giảm đi.
- Luồng khơng khí độc, khi hàm lƣợng của các oxitcacbon (CO), sunfuahidro
(H2S), các oxit nitơ, sunfuarơ, cacbonic, v.v.... tăng lên.
- Luồng khơng khí cháy nổ, khí chứa nhiều các khí nổ khác nhau: CH4, C2H6,
H2, CO, v.v....
- Luồng khơng khí chứa bụi.
1.1.2.1. Thành phần chủ yếu của khơng khí mỏ
1. Oxi (O2)
Oxi chiếm 20,95% thể tích khí trời, là một chất khí khơng màu, không mùi và
không vị, với trọng lƣợng phân tử là 32, trọng lƣợng riêng là 1,106g/cm3 (so với khơng

khí ), Oxi hịa tan trong nƣớc kém (5% theo thể tích khi nhiệt độ 00C), duy trì sự cháy
và sự thở.
Oxi có nhiệt độ nóng chảy ở - 2190C, nhiệt độ sơi ở -1830C. Ở trạng thái tự do,
Oxi có trong khơng khí, khí quyển và trong nƣớc tự nhiên.
Oxi là một nguyên tố hoạt động mạnh, nó có khả năng kết hợp trực tiếp hoặc
gián tiếp với tất cả các nguyên tố khác, trừ các khí hiếm, tạo nên hiện tƣợng oxi hóa.
Các nguyên nhân làm giảm hàm lƣợng Oxi trong khơng khí mỏ bao gồm:
- Q trình Oxi hố từ từ của than, gỗ, các chất hữu cơ và vơ cơ, do cháy mỏ, nổ
khí, nổ bụi;

6


- Sự thốt khí tự nhiên của CH4, CO2, N2, H2S, SO2, v.v…;
- Quá trình nổ mìn, hoạt động của các động cơ đốt trong;
- Sự hô hấp của con ngƣời và sinh vật;
- Sự hoà tan Oxi trong nƣớc mỏ.
Oxi rất cần thiết để duy trì hoạt động sống của con ngƣời, nếu hàm lƣợng O2 
18% con ngƣời làm việc trong điều kiện thiếu Oxi. Khi hàm lƣợng O2 = 12% con
ngƣời phải thở gấp. Khi hàm lƣợng O2 = 9% con ngƣời bị ngất và có thể chết. Nếu
hàm lƣợng O2 = 1  3% con ngƣời bị chết ngay.
Tiêu chuẩn quy định theo luật an toàn của nhiều nƣớc về hàm lƣợng Oxi trong
khơng khí mỏ hầm lò từ 19 đến 20%. Ở Việt Nam theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia
QCVN 01:2011/BCT thì hàm lƣợng Oxi trong khơng khí ở các đƣờng lị có và sẽ có
ngƣời tối thiểu là 20% theo thể tích.
2. Nitơ (N2)
Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích khí trời, là một chất khí khơng màu, khơng mùi
và khơng vị, với trọng lƣợng phân tử là 28, trọng lƣợng riêng là 0,97g/cm3. Nhiệt độ
sơi là -95,70C và nhiệt độ nóng chảy là -237,80C.
Nitơ là một chất khí trơ về mặt hố học và sinh lý học, khơng duy trì sự thở và

sự cháy, đồng thời có tác dụng làm giảm tính nổ của Metan (ví dụ một hỗn hợp khí có
10% CH4 và 90%N2 thì khơng thể nổ).
Những ngun nhân chính làm tăng hàm lƣợng nitơ trong khơng khí mỏ là:
- Sự phân huỷ các chất hữu cơ.
- Sự phân huỷ các chất vơ cơ (ví dụ khi nổ hồn tồn 1 kg thuốc nổ Đinamit sẽ
sinh ra 640 lít khí, trong đó có 135 lít N2).
- Sự thốt khí ở trạng thái tự nhiên qua các khe nứt nẻ của đất đá và khống sàng.
3. Cacbonic (CO2)
Là một khí khơng màu, khơng mùi, vị hơi chua, có tính axit yếu, với trọng lƣợng
phân tử là 44 và trọng lƣợng riêng là 1,52g/cm3 (vì vậy thường tập trung ở nền lị). Là
một khí hồ tan nhiều trong nƣớc, khí cacbonic khơng cháy và khơng duy trì sự cháy, có
tác dụng kích thích niêm mạc của mắt, mũi và mồm, độc ở mức độ thấp.

7


Bảng 1.2. Tác dụng của CO2 đối với con ngƣời
% CO2 (theo thể tích)
Tác dụng sinh lý
0,5

Mức độ thở tăng lên một ít

2,0

Mức độ thở tăng lên tới 50%

3

Khó thở ngay cả khi nghỉ ngơi

5

Thở khó khăn hơn và yếu dần

10

Chỉ chịu đựng đƣợc sau một vài phút

Những nguyên nhân làm tăng CO2 trong khơng khí mỏ bao gồm:
- Các q trình phân huỷ chất hữu cơ và vơ cơ, sự Oxi hoá từ từ của than, sự
phân huỷ của cácbonat;
- Sự thốt khí CO2 tự nhiên từ các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sàng, từ
nƣớc trong mỏ;
- Những quá trình cháy nổ (cháy mỏ, nổ mìn, nổ khí và nổ bụi);
- Sự hơ hấp của con ngƣời và sinh vật;
- Sự hoạt động của các động cơ đốt trong.
Sự thốt khí CO2 từ đất đá và khống sàng, qua các khe nứt và lỗ hổng, có thể
với cƣờng độ nhỏ hoặc cƣờng độ lớn (ví dụ nhƣ ở các mỏ Gard ở Pháp, Silezi ở Balan,
trong một số mỏ muối ở Cộng hoà dân chủ Đức cũ).
Ở một số mỏ than hầm lò trên thế giới đã xảy ra sự phụt khí cacbonic. Trên cơ
sở lƣợng khí CO2 thốt ra tính cho 1 tấn than khai thác trong 24h (độ thốt khí cacbonic
tƣơng đối) ngƣời ta đã phân các mỏ than ra theo các hạng sau:
Loại I : Cho đến 5 m3CO2/tấn;
Loại II : 5 – 10 m3CO2/tấn;
Loại III : 10 – 15 m3/tấn;
Siêu hạng > 15 m3 CO2/tấn.
1.1.2.2. Các loại khí độc, hại sinh ra trong q trình khai thác mỏ hầm lị
1. Oxit cacbon (CO)
Là chất khí khơng màu, khơng mùi vị, trọng lƣợng riêng là 0,97g/cm3, trọng

lƣợng phân tử là 28, nhiệt độ sơi là - 1900C, nhiệt độ nóng chảy là - 2070C, hoà tan
trong nƣớc.

8


Oxit cacbon là một chất khí cháy và nổ, hàm lƣợng oxit cacbon trong hỗn hợp
khơng khí trong khoảng 12,5 – 75% sẽ tạo nên hỗn hợp nổ và nổ mạnh nhất khi hàm
lƣợng là 30%. Nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nổ này là 630 – 8100C, với ngọn lửa màu
xám xanh và phản ứng diễn ra nhƣ sau:
2CO + O2 = 2 CO2

(1.1)

Oxit cacbon là một chất khí độc, tác dụng của nó đối với cơ thể biểu hiện ở việc
hoá hợp với hemoglobin của máu, ngăn cản vai trò hoạt động sinh lý của máu trong
việc vận chuyển Oxi từ phổi đến các mạch máu nhỏ của cơ thể.
Mặt khác, thực tế ngƣời ta thấy rằng Hêmôglobin của máu hố hợp vơ cùng dễ
dàng với CO và so với Oxi thì gấp 250 – 300 lần. Vì vậy khi hít thở khơng khí CO thì
máu đáng lẽ đồng hố O2, nhƣng lại thay bằng CO khi đó chính ra trong máu lƣu thơng
Oxit hemoglobin (Hb + O2 = HbO2) thì lại thay bằng Cacboxit hemoglobin (HbCO).
Giữa oxit cacbon và hemoglobin đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình sau:
Hb + CO = HbCO

(1.2)

Tình trạng đói O2 bắt đầu khi cơ thể hít thở phải CO và khi máu hồn tồn bão
hịa CO thì con ngƣời có thể chết.
Phản ứng giữa O2, CO và Hb có thể biểu thị bởi phƣơng trình:
HbO2 + CO  HbCO + O2

(1.3)

Nghĩa là CO đẩy O2 ra khỏi oxit hemoglobin và ngƣợc lại, O2 thừa có thể đẩy
CO khỏi hợp chất cacboxit hemoglobin.
Các nguồn phát sinh CO ở trong khơng khí mỏ bao gồm:
Cháy mỏ, nổ khí, nổ bụi;
Nổ mìn, sự hoạt động của các động cơ đốt trong;
Q trình Oxi hố từ từ của than;
Đơi khi thốt ra từ khống sàng và đất đá bao quanh cùng với CH 4, CO2
và N2.
Hàm lƣợng CO cho phép của một số nƣớc theo thể tích nhƣ sau: Việt Nam:
0,0017%. (Theo QCVN 01: 2011/BCT); Rumani, Balan: 0,002%; Nam Mỹ, Đức:
0,01%; Pháp: 0,05%.

9


2. Sunfua hidro (H2S)
Là một chất khí khơng màu, mùi trứng thối, vị hơi ngọt, với trọng lƣợng phân tử
là 34,09, trọng lƣợng riêng là 1,19g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -830C, cịn nhệt độ sơi
là -60,2 0C.
H2S là chất khí dễ hồ tan trong nƣớc, là chất khí cháy và nổ. Hàm lƣợng H2S
trong khơng khí từ 4,5% đến 45% sẽ tạo nên hỗn hợp nổ và nhiệt độ bốc cháy là
3700C.
Sunfua hidro rất độc, tác dụng lên niêm mạc của mắt và hệ hô hấp. Các nguồn
làm phát sinh H2S trong mỏ bao gồm:
- Sự mục nát các chất hữu cơ, đặc biệt là gỗ ở các đƣờng lò cũ.
- Sự phân huỷ perit và sunfua canxi, v.v…
FeS2 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2S + S

CaS + CO2 + H2S = CaCO3 + H2S.
- Sự thốt khí tự nhiên từ các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sản, đặc biệt là ở
mỏ muối, mỏ dầu, ở suối nƣớc khống.
- Do cháy mỏ, nổ mìn.
Hàm lƣợng tối đa cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam là
0,00070%, theo thể tích và 10mg/m3, theo trọng lƣợng.
3. Sunfuaro (SO2)
Là chất khí khơng màu, mùi lƣu huỳnh cháy, vị chua, trọng lƣợng phân tử là
64,07, trọng lƣợng riêng là 2,22 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -72,70C và nhiệt độ sơi là100C. Là chất khí dễ hồ tan trong nƣớc, rất độc, ăn mịn mạnh màng niêm mạc của mắt
và hệ hơ hấp. Nhờ có mùi đặc biệt cho nên SO2 dễ phát hiện ngay cả khi hàm lƣợng
của nó trong khơng khí mỏ chỉ bằng 0,0005%, theo thể tích.
Các nguồn phát sinh SO2 trong bao gồm:
- Cháy mỏ;
- Nổ mìn, nhất là nổ mìn trong đá hoặc trong quặng có chứa S;
- Sự thốt khí tự nhiên cùng với một số khí khác.
Hàm lƣợng SO2 cho phép trong khơng khí mỏ, theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc
gia của Việt Nam là 0,00038%, theo thể tích và 10g/m3, theo trọng lƣợng.

10


4. Các Oxit nitơ
Nitơ kết hợp với Oxi để tạo ra các Oxit sau: NO, N2O, NO2, N2O4, N2O3 và
N2O5. Trong số các Oxit nitơ, NO2 và N2O4 là những Oxit thƣờng gặp trong khơng khí nổ.
Đioxit nitơ (NO2) là chất khí có màu vàng, trọng lƣợng phân tử là 64,01, trọng
lƣợng riêng là 1,59g/cm3, nhiệt độ sôi là -21,20C, nhiệt độ nóng chảy là -100C.
TetraOxit nitơ (N2O4) có trọng lƣợng phân tử là 92,02, trọng lƣợng riêng là là
3,18g/cm3. Khi nhiệt độ tăng lên thì têtraxit nitơ chuyển thành Đioxit nitơ.
Tất cả các Oxit nitơ đều rất độc (trừ N2O), chúng kích thích màng miêm mạc
của mắt và các cơ quan hô hấp. Đặc biệt là khi hàm lƣợng của Oxit nitơ là 0,025% theo

thể tích (0,5mg/lít) thì con ngƣời dễ dàng tử vong.
Nguyên nhân chủ yếu phát sinh các ơxýt nitơ trong khơng khí mỏ là do nổ mìn.
5.Hidro (H2)
Là một khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, về mặt sinh lý là một khí trơ,
rất nhẹ, trọng lƣợng riêng là 0,09g/cm3, nhiệt độ sôi là -252,80C, nhiệt độ nóng chảy
là -259,20C. Là một khí cháy và nổ khi hàm lƣợng của nó trong khơng khí là 4% ÷
74% sẽ là hỗn hợp nổ, nhiệt độ bốc cháy của Hidro là 100 ÷ 2000C.
Hyđrơ thốt hiện ở các mỏ than nâu và than gầy, ở các mỏ muối kali. Nó có thể
tìm thấy ở đất đá xung quanh đƣờng lị, cũng nhƣ ở trong than và thốt ra dƣới dạng xì,
đơi khi thốt ra cùng với Metan, khí cacbonic, nitơ.v.v..
Ngồi ra Hidro thốt hiện trong khơng khí mỏ cịn do việc nạp ác quy và nổ
mìn. Hàm lƣợng H2 cho phép trong khơng khí mỏ là 0,5% theo thể tích.
6. Amoniac (NH3)
Là một chất khí khơng màu, có mùi khai, trọng lƣợng phân tử là 17,03; trọng
lƣợng riêng là 0,596g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -77,70C, nhiệt độ sơi là -33,30C. NH3
dễ hồ tan trong nƣớc, là khí độc, kích thích màng niêm mạc của mắt mũi, hệ thống hô
hấp và da.
Amoniac sinh ra trong mỏ là do nổ mìn. Hàm lƣợng cho phép trong khơng khí
mỏ là 0,0025% theo thể tích hay 0,02g/lít.
7. Akrolein (CH2CHCOH)
Là một chất khí khơng màu, trọng lƣợng riêng là 1,9g/m3, dễ hồ tan trong
nƣớc. Là chất khí độc phân huỷ màng viêm mạc của hệ hơ hấp, khi hít phải nồng độ
0,014% sẽ nguy hiểm đối với con ngƣời.

11


Nguyên nhân phát sinh ra Akrolein là do sự hoạt động của động cơ đốt trong ở
điều kiện nhiệt độ cao. Hàm lƣợng tối đa cho phép trong khơng khí mỏ là 0,00008%.
8. Các Aldehid

Các khí aldehiđ bao gồm: axetandehid (CH3COH), benzandehid (C6O5COH),
fomandehid (HCOH), Cloral (CCl3COH), .v.v.. Phát sinh ra do hoạt động của các động
cơ đốt trong.
Tất cả các aldehid đều độc, phân huỷ màng miên mạc của hệ hô hấp. Nguy
hiểm nhất trong số các aldehid là formandehid, với trọng lƣợng riêng là 1,04g/cm3, dễ
hoà tan trong nƣớc.
Hàm lƣợng tối đa cho phép trong khơng khí mỏ là 0,00037%.
9. Các hơi Asen (As), thuỷ ngân (Hg), Hidro xyanua (HCN)
Là các khí độc, hiếm và sinh ra do nổ mìn khi khai thác quặng.
10. Axetylen (C2H2)
Là một chất cháy nổ khi hỗn hợp với khơng khí. Nó sinh ra trong khơng khí mỏ
là do nổ mìn.
11. Các khí phóng xạ
Ở các mỏ khai thác quặng ngƣời ta có thể gặp các khí phóng xạ nhƣ Radon
(Rn), Thoron (Th) và Actinon (An). Khi khai thác quặng uran, thƣờng thoát ra khí có
tính phóng xạ là Radon. Khí Radon phát sinh do sự phân huỷ Uran và có chu kỳ bán rã
là 3,8 ngày. Nó là một chất khí khơng màu, không mùi và không vị.
Hàm lƣợng Radon tối đa cho phép bởi Hội đồng bảo hiểm quốc tế về chống
phóng xạ ion, ở nơi làm việc liên tục 24 tiếng là 10-10curi/lít khơng khí.
Cũng nhƣ Radon, Thorom thốt ra ở mỏ khai thác quặng, nó chính là sản phẩm
phân huỷ của Thori và có chu kỳ bán rã là 54 giây. Các tính chất của Thorom cũng
giống nhƣ Radon và hàm lƣợng tối đa cho phép trong khơng khí mỏ theo Hội đồng bảo
hiểm quốc tế về chống phóng xạ ion giống nhƣ đối với Radon.
1.1.2.3. Khí cháy, nổ Metan trong các mỏ than hầm lị
1. Tính chất hóa lý của khí Metan
Metan là một chất khí đơn giản nhất trong số các khí thuộc cacbuahidro no.

12

Metan là một chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, trọng lƣợng riêng là
0,554g/cm3, trọng lƣợng phân tử là 16,03. Metan thoát ra từ than và đất đá vây quanh
vỉa than ra các đƣờng lò gây nguy hiểm nhất trong bầu khơng khí mỏ. Trong điều
kiện bình thƣờng, khí Metan ở dạng trơ và chỉ liên kÕt ở dạng halogen. Mặc dù Metan
là khí khơng ảnh hƣởng tới q trình hơ hấp nhƣng hàm lƣợng đáng kể trong khơng khí
sẽ gây nguy hiểm bởi vì khí Metan đẩy khí Oxi (4,8% Metan sẽ đẩy 1% Oxi). Metan là
khí có khả năng cháy nổ.
Điều kiện cháy nổ của khí Metan: khi Metan cháy có ngọn lửa màu lam nhạt,
đồng thời sinh ra khí CO2và hơi nƣớc. Khi thiếu Oxi cháy Metan tạo ra Oxitcacbon
(CO), Hidro (H2) và hơi nƣớc. Nhiệt lƣợng cháy của Metan là 13.300kcal/kg, nhiệt độ
bốc cháy là 650 đến 7500 (phụ thuộc hàm lƣợng Metan trong không khí, thành phần
của mơi trƣờng, dạng và áp lực cháy).
Khi trong khơng khí có hàm lƣợng Metan từ 5 đến 6% và có nguồn lửa nó sẽ
bốc cháy, khi hàm lƣợng lên đến 15% ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn thì hỗn hợp có
thể nổ nếu gặp lửa. Hàm lƣợng 9,5% là nổ mạnh nhất. Ở điều kiện bình thƣờng, khi
tăng hàm lƣợng khí Metan trên 15% sẽ khơng xảy ra nổ mặc dầu gặp nguồn lửa vì
khơng đủ hàm lƣợng Oxi. Nhiệt độ sau khi nổ Metan nếu khơng bị giới hạn về thể tích
là 1875oC cịn khi bị giới hạn 2150 ÷ 2650oC. Nổ khí Metan gây sóng thuận khi khơng
khí truyền sóng từ điểm nổ ra chu vi đƣờng lị cịn sóng nghịch khi hơi nƣớc chuyển về
trung tâm điểm nổ. Lực tác dụng của sóng nổ nghịch yếu hơn sóng nổ thuận. Sóng nổ
tạo ra áp lực từ 4 ÷ 20Mpa. Nỉ khÝ Metan không đơn giản là nổ xong là chấm dứt mà
có khả năng nổ tiếp do khi nổ xong tạo ra xung quanh vùng đà nổ một vùng áp suất âm.
Khớ Metan ở trong khoảng không đã khai thác hoặc trong khối nguyên dồn về cân bằng
lại áp suất tạo nên hỗn hợp nổ khác, nhờ gió mang đi gặp nhiệt độ cao trong vùng xảy
ra nổ lại gây nổ tiếp. Hiện tƣợng nổ này xảy ra dọc theo đƣờng lò có gió đi qua gọi là
nổ lặp hay là nổ dõy chuyn.
Metan là một chất khí có nhiệt dung riêng rất cao, do đó khi bắt lửa thì không nổ
ngay mà có một thời gian cảm ứng nhiệt nhất định làm tăng nhiệt độ đến nhiệt độ nổ.
Thi gian ny gọi là thời gian ủ nhiệt. Thời gian này sẽ giảm đi khi nhiệt độ khơng khí
tăng và hàm lƣợng khí Metan trong khơng khí giảm, B¶ng1.3.

13


Bảng 1.3. Thời gian ủ nhiệt của khí Metan.
Toc

775

875

975

6

1,08s

0,35s

0,12s

7

1,15s

0,36s

0,13s

8

1,25s

0,37s

0,14s

9

1,30s

0,39s

0,14s

10

1,40s

0,41s

0,15s

12

1,64s

0,44s

0,16s

CH4%

Căn cứ vào thời gian ủ nhiệt ngƣời ta chế tạo ra thuốc nổ an toàn bằng cách triệt
tiêu ngọn lửa trƣớc thời gian ủ nhiệt của Metan.
2. Các dạng tồn tại của khí Metan trong khối than, đá.
Metan tồn tại trong các khối than và đá bao quanh vỉa than ở trạng thái tự do và
bị liên kết. Ở trạng thái tự do Metan lấp các lỗ rỗng, khe nứt, ở các tầng sâu ngoài trạng
thái tự do Metan cơ bản tồn tại ở trạng thái liên kết.

Hình 1.2. Sự hấp phụ và hấp phụ xâm nhập của khí Metan
Các dạng liên kết khí Metan với các chất rắn đƣợc phân làm 03 loại.
Hấp phụ: là liên kết các phân tử Metan với bề mặt chất rắn dƣới tác động của
lực hút phân tử mà khơng có phản ứng hóa học.
Hấp phụ xâm nhập: Xâm nhập phân tử Metan vào chất rắn tạo ra “dung dịch
rắn”, khơng có phản ứng hóa học.
Hoạt hóa: Liên kết hóa học nghịch một phần giữa các phân tử Metan và chất rắn.
Lƣợng khí Metan tồn tại cơ bản trong khối than, đá ở dạng liên kết hấp phụ.

14


Hình 1.3. Sự hấp phụ và thốt khí Metan trong khối than, đá
3. Các dạng thốt khí Metan trong mỏ hầm lị
Metan thốt ra trong các đƣờng lị ở mỏ 1 trong 3 dạng sau:
Sự thốt khí từ từ liên tục: Khí Metan thốt ra bề mặt lộ gƣơng bằng con đƣờng
thẩm thấu qua khe nứt và lỗ rỗng của khối than, đá ở độ sâu theo hƣớng gia tăng áp lực
mỏ một cách lâu dài, từ từ hoặc liên tục theo thời gian. Dạng thốt khí này đóng vai trò
cơ bản, phổ biến trong các đƣờng lò mỏ. Lƣợng thốt khí Metan càng cao khi độ chứa
và độ thẩm thấu khí trong khối than càng lớn. Khi đào lị chạm đến vỉa than, cƣờng độ

thốt khí Metan có giá trị lớn nhất sau đó sẽ giảm dần và sau 6 ÷ 12 tháng cơ bản sẽ
hết.
Sự thốt khí dƣới dạng xì: Xì khí Metan là dạng thốt khí từ các khe nứt nhìn
thấy đƣợc hoặc từ các các dải than, đá trong khối nguyên một cách tự nhiên hay khai
thác vỉa than với cƣờng độ không đƣới 1m3/T theo khu vực khai thác có chiều dài
khơng nhỏ hơn 20m. Cƣờng độ xì khí Metan có thể đạt từ một vài cho đến hàng chục
nghìn mét khối ngày/đêm, cịn thời gian có thể một vài giờ đến một vài năm. Xì khí
trong q trình khai thác đƣợc hình thành khi nổ mìn hoặc điều khiển đá vách...
Nguy hiểm của xì khí là làm tăng đột ngột hàm lƣợng khí Metan trong các
đƣờng lị dẫn đến nguy cơ tích tự khí Metan thành lớp. Để ngăn ngừa xì khí Metan phải

15


sơ bộ tháo khí vỉa than bằng cách khoan tiến trƣớc, lựa chọn phƣơng pháp điều khiển
đá vách phù hợp cũng nhƣ tăng lƣu lƣợng gió vào các đƣờng lị nguy hiểm xì khí.
Sự phụt khí Metan và đất đá, than vụn: Đây là sự thốt khí Metan cục bộ, tức
thời (một vài chục giây) với lƣợng lớn khí thốt ra (vài trăm đến 500 ngàn mét khối)
cùng lúc mang theo một lƣợng than và đá vỡ vụn ra đƣờng lị (hàng nghìn tấn). Các
ruộng mỏ nằm trong giới hạn phụt khí Metan và đất đá, than vụn hoặc các tầng phía
dƣới đƣợc đƣa vào vùng nguy hiểm phụt bất ngờ. Càng tăng độ sâu khai thác càng tăng
chỉ số nguy hiểm phụt khí Metan và đất đá, than vụn. Phụt bất ngờ xảy ra khí đào các
đƣờng lị khai thông mở vỉa vào các vỉa than nguy hiểm hoặc gặp vùng phá hủy kiến
tạo và thỉnh thoảng ở các lò chợ khai thác than. Mức độ nguy hiểm phụt bất ngờ tăng
lên khi độ chứa khí các vỉa than tăng theo độ sâu khai thác. Các dấu hiệu nhận biết phụt
bất ngờ: rung lắc chòong khoan, xáo động vỉa than, đất đá, lở gƣơng, than bị ép vỡ vụn,
tăng độ thốt khí. Áp lực mỏ, rung lắc do các thiết bị làm việc, nổ mìn, tập trung ứng
suất trong khối than, đá (than, đá bị lồi ra) làm phụt bất ngờ tăng lên. Các phƣơng pháp
ngăn ngừa phụt bất ngờ đƣợc chia theo các vùng và khu vực mỏ. Các phƣơng pháp
chia vùng bao gồm: bảo vệ vỉa khi khai thác, sơ bộ tháo khí khối than, đá bằng các lỗ

khoan, làm ẩm vỉa than bằng các lỗ khoan dài dọc theo vỉa than khai thác theo hƣớng
nƣớc chảy trong vỉa...Các phƣơng pháp chia thành khu vực bao gồm: Khoan tiến trƣớc
gƣơng các đƣờng lò đang hoạt động, bơm nƣớc vào vỉa phía gƣơng, chống tăng cƣờng
vì chống tiến gƣơng khi đào lị chuẩn bị ...
Metan có thể thốt theo các khe nứt từ các vỉa than và đất đá vây quanh ra các
khu công nghiệp và khu dân sinh trên mặt đất. Để ngăn ngừa các trƣờng hợp này phải
hút khí Metan qua các lỗ khoan từ mặt đất hoặc bơm vữa xi măng vào các khe nứt.
4. Độ chứa khí Metan trong các vỉa than và độ thốt khí Metan trong
mỏ than hầm lị.
a. Độ chứa khí Metan trong các vỉa than.
Độ chứa khí Metan là lƣợng khí Metan tự nhiên chứa trong khối than hoặc đất
đá vây quanh vỉa than với đơn vị khối lƣợng (m3/t) hoặc thể tích (m3/m3). Hiện nay để
xác định độ chứa khí Metan trên cơ sở lƣợng khí Metan có chứa trong một tấn than
nguyên khối, ở trạng thái khô, không tro, không chất bốc (m3/TKC).

16


Các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến độ chứa khí Metan tự nhiên của vỉa than bao
gồm: Mức độ biến chất của than, khả năng liên kết, lỗ rỗng, độ thẩm thấu khí, độ ẩm,
độ sâu khai thác theo hƣớng dốc, địa chất thủy văn. Mức độ biến chất của than càng
cao mức độ chứa khí Metan càng lớn. Trong cùng điều kiện than có nhiều lỗ rỗng
lƣợng khí Metan chứa càng nhiều. Độ thẩm thấu khí càng cao khí Metan thốt ra càng
dễ, dẫn đến độ chứa khí giảm.
Độ chứa khí Metan của các vỉa than tăng lên theo hƣớng dốc khi khai thác các
vỉa than xuống sâu, có thể lên đến 35m3/t. Độ chứa khí Metan của đất đá vây quanh vỉa
than có thể lên đến 6m3/t. Các vỉa than chứa nƣớc tạo điều kiện khí Metan hịa tan
trong nƣớc làm giảm độ chứa khí.
Khí Metan đi lên mặt đất theo hƣớng ngƣợc chiều luồng gió tự nhiên và các
chất khí sinh học tạo thành bốn đới khí: Cácboníc, Nitơ, Nitơ - Metan, Metan.

Giá trị độ chứa khí Metan rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ nguy hiểm
về khí Metan trong khai thác than hầm lị nên đƣợc nghiên cứu rất kỹ lƣỡng. Độ chứa
khí Metan trong các vỉa than đƣợc xác định ngay trong q trình thăm dị địa chất khi
chƣa có mỏ. Giá trị của độ chứa khí này đƣợc sử dụng vào việc dự đoán loại mỏ trong
thiết kế khai thác mỏ ban đầu. Khi đã khai thác mỏ, độ chứa khí Metan bị ảnh hƣởng
của việc khai thông mở vỉa, khai thác mỏ, điều khiển đá vách và sử dụng các phƣơng
pháp làm giảm khí. Vì vậy độ chứa khí Metan trực tiếp này đƣợc sử dụng để xếp loại
mỏ. Độ chứa khí Metan của các vỉa than trong các khu vực khai thác đƣợc xác định
theo “Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lị QCVN 01:
2011/BCT”.
b. Độ thốt khí Metan trong mỏ than hầm lị:
Độ thốt khí Metan trong mỏ hầm lị đƣợc thơng qua cƣờng độ thốt khí ra các
đƣờng lị riêng, các khu vực khai thác, các vỉa than hoặc các mỏ.
- Độ thốt khí Metan tuyệt đối:
Lƣợng khí Metan thốt ra các đƣờng lò riêng trong một đơn vị thời gian thƣờng
là ngày đêm (m3/ngày.đêm) gọi là độ thốt khí Metan tuyệt đối.
Độ thốt khí Metan của các vỉa than trong các khu vực khai thác đƣợc xác định
theo “Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò QCVN 01:
2011/BCT”.

17


c. Xếp loại mỏ nguy hiểm theo khí Metan.
Căn cứ vào hàm lƣợng và hình thức khí Metan thốt ra trong q trình khai thác
(độ thốt khí Metan tƣơng đối), các mỏ than hầm lò đƣợc xếp hạng nhƣ trong bảng 1.4.
Đối với những mỏ, khu vực mới đang chuẩn bị khi chƣa xác định đƣợc độ
thốt khí tƣơng đối, việc xếp loại mỏ theo khí Metan đƣợc thực hiện cho từng vỉa
căn cứ vào vào độ chứa khí Metan tự nhiên đƣợc xác định của từng vỉa đó để xếp
loại mỏ theo độ chứa khí Metan tự nhiên quy định trong bảng 1.5

Bảng 1.4. Xếp loại mỏ theo độ thốt khí Metan tƣơng đối trong q trình khai thác
Độ thốt khí Metan tƣơng đối của mỏ

Loại mỏ theo khí Metan

(m3/T- ngày – đêm)
I

<5

II

Từ 5 đến < 10

III

Từ 10 đến < 15
≥ 15, những mỏ nguy hiểm xì khí

Siêu hạng
Nguy hiểm phụt khí bất ngờ

Mỏ hầm lị khai thác các vỉa nguy hiểm phụt than
và khí bất ngờ

Bảng1.5. Xếp loại mỏ theo độ chứa khí Metan tự nhiên của vỉa than
Hàm lƣợng khí Metan trong lỗ

Độ chứa khí Metan của vỉa

khoan lấy mẫu vỉa than %

than, m3/tấn-khối cháy

I

1 - 60

< 2,5

II

60 - 80

Từ 2,5 đến < 4,5

III

> 80,0

Từ 4,5 đến < 8

> 80,0

>8

Loại mỏ theo
khí Metan

Siêu hạng

1.2. Các đại lượng vật lý đặc trưng của khơng khí mỏ khi xuống sâu
1.2.1. Trọng lượng riêng của khơng khí
Trọng lƣợng riêng của khơng khí là trọng lƣợng của khơng khí trong một đơn vị
thể tích, ký hiệu là :
 

G
, ( N/m3) hoặc (kG/m3)
V

Trong đó:

18

(1.4)


G - trọng lƣợng của một đơn vị thể tích khơng khí, N (kG);
Thể tích đơn vị khơng khí, m3.
1.2.2. Khối lượng riêng của khơng khí
Khối lƣợng riêng của khơng khí là khối lƣợng chứa trong 1m3 khơng khí ký
hiệu là ρ:


M
 kg/m3
V

(1.5)

Giữa trọng lƣợng riêng và khối lƣợng riêng có mối quan hệ sau:
   .g

(1.6)

Trong đó: g là gia tốc trọng trƣờng, m/s2.
Ở điều kiện áp suất khơng khí là 760 mmHg và nhiệt độ là 00c thì   1,2kg / m 3
1.2.3. Thể tích riêng
Là thể tích của một đơn vị trọng lƣợng khơng khí, ký hiệu là v.


G
(m3/N; m3/kG)
M

(1.7)

1.2.4. Nhiệt độ của khơng khí mỏ
1.2.4.1. Khái niệm, đơn vị đo
Nhiệt độ là một trong những thơng số, biểu thị trạng thái của khơng khí. Trong
thơng gió mỏ thƣờng dùng nhiệt độ khơ và ƣớt.
Nhiệt độ khơ của khơng khí là nhiệt độ đọc đƣợc trên nhiệt kế chất lỏng mà mặt
ngoài bầu đựng chất lỏng của nó ở trạng thái khơ ráo bình thƣờng, đƣợc ký hiệu là tk và
đƣợc đo bằng 0C.
Nhiệt độ ƣớt của khơng khí là nhiệt độ đo đƣợc trên nhiệt kế chất lỏng của nó
đƣợc làm ƣớt thƣờng xuyên bằng một lớp vải mỏng nhúng trong một bình nƣớc
nguyên chất, ký hiệu là tƣ, 0C.
Ngoài đơn vị bách phân (celsius) ngƣời ta còn dùng đơn vị kelvin (0K) để biểu
thị nhiệt độ khơng khí.

Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ là :
T = 273 + t

19

, 0K

(1.8)


1.2.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng tới nhiệt độ không khí trong mỏ
Nhiệt độ khơng khí ngồi trời;
Nhiệt độ sinh ra do các quá trình: Ngƣời thải nhiệt, vi sinh vật hoạt động, q
trình oxi hố than...;
Nhiệt độ sinh ra do tổn hao điện năng của thiết bị điện;
Do địa nhiệt;
Trong các yếu tố trên khi khai thác xuống sâu địa nhiệt đóng vai trị chủ yếu.
Địa nhiệt có hai cách biểu diễn:
Địa nhiệt cấp là số mét xuống sâu để nhiệt độ tăng lên một 0C;
Địa nhiệt suất là số độ bách phân tăng lên khi xuống sâu 100 m.
1.2.5. Độ nhớt
Là tính chất của dịch thể cản lại sự chuyển động của các phân tử này trên mặt
các phân tử khác.
Nguyên nhân của độ nhớt là ma sát trong của các phân tử.
Độ nhớt của khơng khí đƣợc đặc trƣng bằng độ nhớt động . Trong hệ thống đo
lƣờng quốc tế, độ nhớt động lực đƣợc đo bằng N.s/m2. Độ nhớt của khơng khí tăng với
sự tăng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ t = 00c, áp suất p  760mmHg thì  = 1,712.10-6.
Ngồi độ nhớt động lực ngƣời ta còn sử dụng độ nhớt động học


 2
,[m / s ] ,


(1.9)

1.2.6. Độ ẩm của khơng khí
Hỗn hợp của khơng khí khơ và hơi nƣớc gọi là khơng khí ẩm. Khí trời cũng nhƣ
khơng khí trong hầm lị ln ln chứa một lƣợng hơi nƣớc nhất định. Sự tồn tại của
hơi nƣớc trong khơng khí gọi là độ ẩm khơng khí. Độ ẩm khơng khí bao gồm độ ẩm
tuyệt đối, độ ẩm bão hòa và độ ẩm tƣơng đối.
1.2.6.1.Độ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lƣợng hơi nƣớc tính bằng kg chứa trong 1 m3
khơng khí ẩm.
Ký hiệu độ ẩm tuyệt đối là d, đơn vị đo là kg/m3.
1.2.6.2. Độ ẩm bão hoà
Độ ẩm bão hoà là trọng lƣợng hơi nƣớc tối đa chứa trong 1 m3 khơng khí.
Ký hiệu độ ẩm bão hoà là D, đơn vị đo là kg/m3.

20


1.2.6.3.Độ ẩm tƣơng đối
Là tỉ số tính theo % giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm bão hoà tại cùng một nhiệt
độ và áp suất.
Độ ẩm tƣơng đối ký hiệu là , đơn vị tính là % và đƣợc xác định nhƣ sau:


d
, [%],

D

(1.10)

Độ ẩm tƣơng đối của không khí trong hầm lị rất cao thƣờng vào khoảng 80% ÷
95%.
Khi ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi, nếu tăng độ ẩm tƣơng đối, trọng
lƣợng riêng của khơng khí sẽ giảm vì hơi nƣớc nhẹ hơn khơng khí khơ, khơng khí ẩm
nhẹ hơn khơng khí khơ.
Khi độ ẩm tƣơng đối và áp suất không đổi, nếu tăng nhiệt độ, trọng lƣợng riêng
của khơng khí sẽ giảm.
Khi độ ẩm tƣơng đối và nhiệt độ không đổi nếu tăng áp suất trọng lƣợng riêng
của khơng khí sẽ tăng.
Tùy theo nhiệt độ và độ bão hịa hơi nƣớc, khơng khí có tác dụng khác nhau đến
cảm giác và khả năng lao động của con ngƣời. Cho nên những tính chất vật lý cơ bản
của khơng khí ẩm và những đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái của nó có một tầm quan
trọng rất lớn.
1.2.7. Tính di động của khơng khí
Khơng khí thuộc loại chất lỏng và có tính chảy. Tính di động là đặc tính nổi bật
của nó. Nó khơng có hình dạng riêng ban đầu mà ln ln theo hình dạng của vật thể
chứa đựng nó hoặc bao quanh nó.
1.2.8. Tính liên tục
Khơng khí đƣợc coi nhƣ mơi trƣờng liên tục, tức là những phần tử chất khí
chiếm đầy khơng gian mà khơng có chỗ nào trống rỗng. Với tính chất liên tục này, ta
có thể coi những đặc trƣng cơ bản của khơng khí nhƣ vận tốc, mật độ, áp suất ... là hàm
số của toạ độ điểm (phần tử) và thời gian, những hàm số đó đƣợc coi là liên tục
và khả vi.
1.2.9. Tính nén của khơng khí
Là tính chất của khơng khí bị thu nhỏ thể tích dƣới tác dụng của ngoại
lực nén. Tính nén đƣợc đặc trƣng bởi hệ số nén (hệ số co thể tích)  biểu thị sự

21


giảm tƣơng đối thể tích khơng khí V, tƣơng ứng với sự thay đổi áp suất P lên 1
đơn vị thể tích:


1  dV
; m2 / N
V  dP

(1.11)

1.2.10. Áp suất của khơng khí
Áp suất của khơng khí là một đại lƣợng vật lý chính để nghiên cứu những vấn
đề chủ yếu của thơng gió mỏ.
Áp suất của khơng khí là lực của cột khơng khí tác động lên bề mặt đáy của nó.
Ký hiệu áp suất của cột khơng khí là P, lực tác dụng lên diện tích đáy S của nó
là F, khi đó:
P

F
S

(1.12)

Đơn vị đo của áp suất trong hệ thống đo lƣờng quốc tế SI là N/m2.
Áp suất còn đƣợc đo bằng KG/m2, mmH20, mmHg, bar, paxcan (Pa), atmotphe (at)
Mối quan hệ giữa các đơn vị này nhƣ sau:

1mmH20 = 1kG/m2 = 9,80665N/m2;
1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa;
1mm Hg = 13,6 mm H20;
1 at = 760 mm Hg = 10.332 mm H20.
Áp suất khí trời bình thƣờng bằng 760 mm Hg hay bằng 13,6 x 760 = 10,336
mmH20.
Áp suất khí trời trên mặt thuỷ chuẩn giảm dần theo độ cao, ngƣợc lại dƣới mặt
thuỷ chuẩn sẽ tăng dần theo độ sâu.
Áp suất khí trời và chiều cao cột khơng khí so với mức nƣớc biển có mối quan
hệ theo bảng 1.6.
Bảng 1.6. Mối quan hệ giữa áp suất khí trời và chiều cao so với mực nƣớc biển
Chiều cao, m
P0 , mmHg

0

100

200

500

760

754

742

716

Khi xuống sâu áp suất tăng lên một cách tƣơng đối, cứ xuống sâu 100m thì áp
suất tăng lên khoảng từ 9-10mmHg, vì vậy ở chiều sâu 1000m thì áp suất khơng khí
vào khoảng 855mmHg.

22


Áp suất do quạt gió tạo ra: Khi quạt gió làm việc trong ống dẫn hoặc trong
giếng mỏ sẽ tạo ra phía sau nó (tính theo chiều chuyển dịch của khơng khí) áp suất nhỏ
hơn áp suất khí trời và phía trƣớc nó áp suất lớn hơn áp suất khí trời. Ta có thể nói là
quạt gió hút và quạt gió đẩy.
Hiệu số giữa áp suất khí trời và áp suất tạo ra bởi quạt gió hút đƣợc gọi là hạ áp
suất, ký hiệu là h.
Hiệu số giữa áp suất tạo ra bởi quạt gió đẩy và áp suất khí trời cũng đƣợc gọi là
hạ áp suất. Nhƣng chính xác hơn có thể gọi là áp suất dƣ.
Nếu ký hiệu áp suất trƣớc và sau quạt gió là Pđ và Ph áp suất khí trời là P0 ta có
thể xác định hạ áp suất.
P0  Ph 

hh
h
 Ph  P0  h
13,6
13,6

Pd  P0 

h
hd
 Pd  P0  d

13,6
13,6

Nghĩa là: áp suất trƣớc và sau quạt gió bằng áp suất khí trời thêm hoặc giảm bớt
đi một trị số hạ áp suất trong thơng gió Ph và Pđ cịn đƣợc gọi là áp suất tĩnh, hạ áp suất
hd , hh cũng đƣợc gọi là hạ áp suất tĩnh.
1.3. Nhiệt độ của khơng khí trong mỏ khi khai thác xuống sâu
Ở những mỏ khơng sâu hoặc ở những đƣờng lị ngắn, nhiệt độ của khơng khí
chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ của khơng khí trên mặt đất. Nhƣng khi xuống sâu nhiệt
độ bị ảnh hƣởng của các yếu tố sau:
Áp suất khơng khí tăng theo chiều sâu;
Nhiệt độ của đất đá trong mỏ.
1.3.1.Ảnh hưởng của áp suất khơng khí đến nhiệt độ khi xuống sâu
Càng xuống sâu áp suất khơng khí càng tăng và tn theo các q trình biến đổi
nhiệt động học. Một chất khí có tỷ nhiệt cố định thì nó tn theo định luật biến đổi
nhiệt động học nhƣ sau (Phƣơng trình Becnuli):
T = const hoặc P.V = const
Trong đó:
T - Nhiệt độ khơng khí, C;
P - Áp suất của cột khơng khí, mmHg;

23

(1.13)


V - Thể tích của một đơn vị khối lƣợng khơng khí; m3/kg;
Do V=1/, nên ta có thể viết: T= P.(1/)n = const

(1.14)

 - Trọng lƣợng riêng của khơng khí, kg/m3.
n - Hệ số phụ thuộc vào quá trình nhiệt động học: Quá trình đẳng áp:

n = 0;

quá trình đẳng nhiệt: n = 1; quá trình đoạn nhiệt: n = 1,4; q trình đẳng tích: n = ±0.
Để loại trừ biến số  trong cơng thức (1.14) có thể dùng phƣơng trình trạng thái
chất khí:
P.V = P.l/ = R.T

(1.15)

Trong đó: R là hằng số khí, đối với khơng khí khơ thì R = 29,27.
Từ phƣơng trình (1.15) ta đƣợc:
n

 RT 
 RT 
P1  1   P2  2 
 P1 
 P2 

T1  P1 
 
T2  P2 

n

(1.16)

( n 1)/ n

(1.17)

Trong đó:
P1, T1 - Nhiệt độ và áp suất khơng khí ở độ cao Z1;
P2 và T2 - Nhiệt độ khơng khí và áp suất ở độ cao Z2.
Từ định luật khí tĩnh học ta biết:
dP = -dz hay dz = -dP/

(1.18)

Trong đó:
z - Độ cao của 1 phân tử khơng khí đƣợc xét so với 1 mặt phẳng chuẩn đã chọn
bất kỳ và gọi là chiều cao hình học hay chiều cao chuẩn;
P/ - Chiều cao của cột khơng khí có áp lực đáy là P, hay còn gọi là chiều cao
tăng áp hoặc chiều cao tĩnh học.
Lấy tích phân trong khoảng (z1÷z2) ta đƣợc:
z1

p2

z2

p1

 dz  

dP



p2

R  T
p1

Từ phƣơng trình (1.18) và (1.19) ta đƣợc:

24

dP
P

(1.19)


P
z1  z2  R  T1  
 P1 

n 1
n

.

dP
P

(1.20)

Gọi grd là Gradien nhiệt độ của khơng khí theo chiều sâu, thứ nguyên của nó là
m/°C (Gradien nhiệt độ là đại lƣợng vật lý mơ tả hƣớng có tốc độ thay đổi nhiệt
độ nhanh nhất, ở xung quanh một vị trí và độ lớn của mức độ thay đổi nhiệt độ nhanh
nhất này), sự tăng nhiệt độ khi xuống sâu, do ảnh hƣởng của sự tăng áp suất khí tĩnh
đƣợc xác đinh:
[grd] = n/(n-1).R = [z]/[T], m/°C

(1.21)

Khi đó, sự gia tăng nhiệt độ khi xuống sâu do ảnh hƣởng của sự tăng áp suất khí
tĩnh đƣợc xác định theo công thức:
T2 = T1 + (Z1 - Z2)/grd

(1.22)

Nếu coi quá trình biến đổi nhiệt động học ở trong hầm lị là q trình đoạn
nhiệt n = 1,4 thì grd =103m/°C, nghĩa là cứ xuống sâu 103m, nhiệt độ không khí tăng
l°c. Với các mỏ nơng thì con số trên khơng đáng chú ý, nhƣng đối với mỏ xuống sâu
thì lại là vấn đề hết sức nghiêm trọng.
Nhiệt độ di chuyển trong địa tầng chủ yếu là do sự truyền dẫn. Sự truyền dẫn
diễn ra một cách từ từ nên đƣờng cong Gradien địa nhiệt trơn nhƣng tăng dần theo độ
sâu. Trên thế giới có những mỏ rất sâu, ví dụ: mỏ vàng South Deep Nam Phi 4350m,
mỏ vàng Urêhan (Ẩn Độ) 2950m, mỏ than Tân Văn - Sơn Đông (Trung Quốc) 1360m.
Với chiều sâu nhƣ trên nhiệt độ có thể tăng trên 20°C.
1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đất đá
Nhiệt độ trên mặt đất chỉ ảnh hƣởng đến nhiệt độ của lớp đất đá trên mặt, lớp
này dày khoảng 25 ÷ 30m. Trong miền này nhiệt độ của đất đá thay đổi theo nhiệt độ ở
ngoài trời, sau miền này là miền đẳng nhiệt, nhiệt độ tăng dân theo chiều sâu. Sự tăng

nhiệt độ đƣợc xác định theo công thức:
Tx  T0 

H x  H0 0
; C
grd

Trong đó:
Tx - Nhiệt độ ở độ sâu Hx, C;
T0 - Nhiệt độ ở mức đẳng nhiệt có độ sâu H0, C;

25

(1.23)