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

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT





Nguyễn Trần Tuân





NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ
ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ
VÙNG MẠO KHÊ




LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014


2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT





Nguyễn Trần Tuân





NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ
ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ
VÙNG MẠO KHÊ



Ngành: Kỹ thuật dầu khí
Mã số: 62.52.06.04



LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Trần Đình Kiên
2. TS Nguyễn Xuân Thảo


HÀ NỘI - 2014


3


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ một công trình nào khác.
Tác giả luận án






4
MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

ix
MỞ ĐẦU
1
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG
KHAI THÁC ẢNH HƢỞNG TỚI CÔNG TÁC KHOAN VÀ TÌNH TRẠNG
KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ
24
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


5
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHƢƠNG 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 hƣởng 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 -80
103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
110
TÀI LIỆU THAM KHẢO
112
PHẦN PHỤ LỤC
117

6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
API: Viện dầu khí Mỹ
B: Hƣớng Bắc
DDK: Dung dịch khoan
Đ: Hƣớng Đông
ĐCCT-ĐCTV: Địa chất công trình, địa chất thủy văn
E: Năng lƣợng phá hủy đá, kW.h/m
F.A; F.B; F.340: Đứt gãy F.A; Đứt gãy F.B; Đứt gãy F.340
K: Độ thẩm thấu, m
2

K
otb
: Hệ số thu hồi khí Mêtan từ lỗ khoan
L: Chiều dài lỗ khoan, m
LK: Lỗ khoan
MK: Mạo Khê
n: Tốc độ quay cột cần khoan, v/ph
n
đ
: Tần số đập, lần/ph
N: Hƣớng Nam
OML: Ống mẫu luồn
P: Tải trọng chiều trục, N
P
đ

: Tải trọng chiều trục do năng lƣợng đập trong khoan xoay đập, kW
P
O
: Tải trọng chiều trục trong khoan xoay, kN
P
s
: Độ cứng của đá, MPa
q: Trọng lƣợng riêng một mét cần khoan, N/m
Q: Lƣu lƣợng nƣớc rửa, l/ph


7
Q
o
: Lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan, kg/s
Q
MK
: Khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác, m
3
/tháng
TKV: Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam
T. IIIA: Tuyến III A
T: Hƣớng Tây
V.9: Vỉa than thứ 9
Vimsat: Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
V
m
: Vận tốc cơ học khoan, m/h

8
DANH MC CC BNG BIU
Bng 1.1. Cỏc v tai nn in hỡnh liờn quan ti n khớ Mờtan cỏc m than
hm lũ ca mt s nc trờn th gii
7
Bng 2.1. Mc phong húa, nt n ỏ m Mo Khờ
25
Bảng 2.2. Tính chất cơ lý đặc tr-ng cho các loại đá ở mỏ than hầm lò Mạo
Khê
28
Bng 2.3. Cụng sut khai thỏc ca m Mo Khờ t nm 2010 n nm 2015
32
Bng 2.4. cha khớ v tr lng khớ m than Mo Khờ theo chiu sõu
35
Bng 2.5. Kt qa quan trc thc t v d bỏo lng khớ Mờtan thoỏt ra t lũ
ch khai thỏc cỏc va than m Mo khờ
37
Bng 3.1. Cỏc thụng s ch khoan xoay - p
64
Bng 4.1. c tớnh k thut ca thit b khoan xoay - p RPD-130SL-F2W
v mỏy bm nc ra MG-15
67
Bng 4.2. c tớnh k thut b ng mu lun khoan ngang PS-89
70
Bng 4.3. Mc nh hng ca cỏc thụng s ch khoan ti tc c
hc trong khoan ngang bng b ng mu lun PS-89
72
Bng 4.4. Mc nh hng ca tc quay ct cn khoan ti tc c
hc khi khoan ngang bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b OML PS-
89 trong ỏ cỏt kt ht nh mn cp IX- X, P

s
= 5000 -7000MPa; ti trng
chiu trc P
o
= 9000 - 13000N; Q= 45-50l/ph; dung dch khoan - nc ló
73
Bng 4.5. Mc nh hng ca ti trng chiu trc ti tc c hc khi
khoan ngang bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b OML PS-89 trong
ỏ cỏt kt ht nh mn cp IX- X, P
s
= 5000 -7000MPa; tc quay ct cn
khoan n = 80- 200v/ph; Q= 45-50l/ph; dung dch khoan - nc ló
74
Bng 4.6. Mc nh hng ca lu lng nc ra ti tc c hc khi
khoan ngang bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b OML PS-89 trong
ỏ cỏt kt ht nh mn cp IX- X, P
s
= 5000 -7000MPa; tc quay ct cn
khoan n = 80 - 200v/ph; P
o
=9000-13000N; dung dch khoan - nc ló
75
Bng 4.7. Mc nh hng ca tc quay ct cn khoan ti tc c



9
học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-
89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, P
s

= 2000 -3000MPa; tải trọng chiều trục
P
o
= 6000- 7000N; Q=50-60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã


76
Bảng 4.8. Mức độ ảnh hƣởng của tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học khi
khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89
trong đá bột kết cấp VII-VIII, P
s
= 2000 -3000MPa; tốc độ quay cột cần
khoan n = 80- 200v/ph; Q= 50 -60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã
77
Bảng 4.9. Mức độ ảnh hƣởng của lƣu lƣợng nƣớc rửa tới tốc độ cơ học khi
khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL và bộ OML PS-89 trong đá
bột kết cấp VII-VIII, P
s
= 2000-3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80-
200v/ph; tải trọng chiều trục P
o
= 6000- 7000N; dung dịch khoan - nƣớc lã
78
Bảng 4.10. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W
trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
=2000-3000MPa
81
Bảng 4.11. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các

thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-
F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-3000MPa; n
đ
=
800lần/ph
83
Bảng 4.12. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-
F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-3000MPa; n
đ
=
1000lần/ph
85
Bảng 4.13. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-
F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-3000MPa; n
đ
=
1200lần/ph
87
Bảng 4.14. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W
trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
s

= 5000 -7000 MPa
89


10

Bảng 4.15. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-
F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
s
= 5000 -7000MPa; n
đ
-
800lần/ph
91
Bảng 4.16. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-
F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
s
= 5000 -7000MPa; n
đ
=
1000lần/ph
93
Bảng 4.17. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các
thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL-
F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
s
= 5000 -7000MPa; n
đ

=
1200lần/ph
95
Bảng 4.18. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có
độ cứng P
s
= 2000-3000MPa
97
Bảng 4.19. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có
độ cứng P
s
= 5000-7000MPa
99
Bảng 4.20. Thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý bằng thiết bị khoan
RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS -89
102



11
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Thực trạng và dự báo khối lƣợng khai thác khí Mêtan ở một số
nƣớc trên thế giới
8
Hình 1.2. Vị trí các lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất
10
Hình 1.3. Cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất
11
Hình 1.4. Phƣơng pháp thu hồi khí ở các vỉa than trƣớc khi khai thác bằng

các lỗ khoan từ trên mặt đất
12
Hình 1.5. Mô hình khai thác khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất
13
Hình 1.6. Khai thác khí Mêtan ở Nga bằng thiết bị hút gật gù
13
Hình 1.7. Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở khu vực đã phá hoả sau
khi khai thác
15
Hình1.8. Các lỗ khoan ngang tháo khí trƣớc khi khai thác
16
Hình 1.9. Các lỗ khoan ngang tháo khí bố trí theo dạng dải quạt ở gƣơng lò
trong quá trình khai thác
16
Hình 1.10. Mô hình sơ đồ tổng thể các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò
17
Hình 1.11. Cấu trúc lỗ khoan ngang tháo khí
19
Hình 1.12. Bản đồ phân bổ khí Mêtan ở vùng than Quảng Ninh
20
Hình 1.13. Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở mỏ than Khe Chàm
22
Hình 1.14. Sơ đồ bố trí các cụm lỗ khoan tháo khí ở mỏ than Khe Chàm
22
Hình 2.1. Khe nứt thể hiện trên bề mặt mẫu than ở mỏ Mạo Khê
30
Hình 2.2. Hiện trạng khai thác khu vực cánh Bắc, mức -80 mỏ than Mạo
Khê
32
Hình 2.3. Hiện trạng khai thác cánh Nam, mức -80 mỏ than Mạo Khê

33
Hình 2.4. Bản đồ hiện trạng khai thác mức -150 mỏ than Mạo Khê
33
Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang
42
Hình 3.2. Sự phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục vào chiều dài lỗ khoan
ngang
44


12
Hình 3.3. Sơ đồ lực tác dụng lên thành lỗ khoan ngang
44
Hình 3.4. Hiện tƣợng cong lỗ khoan ngang do lệch tâm bộ dụng cụ khoan
46
Hình 3.5. Hƣớng cong lỗ khoan ngang
46
Hình 3.6. Khả năng lỗ khoan bị lệch hƣớng khi gặp lớp đá có độ cứng khác
nhau
46
Hình 3.7. Lệch hƣớng lỗ khoan khi khoan trong vỉa than
47
Hình 3.8. Hình dạng thành trên của lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ
48
Hình 3.9. Trạng thái khối đá bao quanh thành trên lỗ khoan ngang
49
Hình 3.10. Sơ đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan ngang
50
Hình 3.11. Sơ đồ tác dụng cần khoan với thành dƣới của lỗ khoan ngang
trong quá trình khoan

50
Hình 3.12. Vị trí lỗ khoan tháo khí ở khu vực vỉa 9Đ chuẩn bị khai thác
54
Hình 3.13. Cấu trúc lỗ khoan ngang thu hồi khí tại vỉa 9Đ
54
Hình 3.14. Mô hình phá huỷ đá trong các phƣơng pháp khoan
61
H×nh 4.1. ThiÕt bÞ khoan RPD-130SL-F2W
69
Hình 4.2. Bộ ống mẫu luồn PS – 89
69
Hình 4.3. Mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ
học trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89
72
Hình 4.4. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan khi
khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-3000MPa
82
Hình 4.5. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-
3000MPa
82
Hình 4.6. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-
3000MPa, n

đ
= 800lần/ph
84
Hình 4.7. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
=
2000-3000MPa, n
đ
= 800lần/ph
84


13
Hình 4.8. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-
3000MPa, n
đ
= 1000lần/ph
86
Hình 4.9. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
=
2000-3000MPa, n
đ
= 1000lần/ph
86

Hình 4.10. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
= 2000-
3000MPa, n
đ
= 1200lần/ph
88
Hình 4.11. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P
S
=
2000-3000MPa, n
đ
= 1200lần/ph
88
Hình 4.12. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
= 5000 -7000 MPa
90
Hình 4.13. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
= 5000 -
7000 MPa
90
Hình 4.14. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S

= 5000 -7000
MPa, n
đ
= 800lần/ph
92
Hình 4.15. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
=
5000 -7000 MPa, n
đ
= 800lần/ph
92
Hình 4.16. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
= 5000 -7000
MPa, n
đ
= 1000lần/ph
94
Hình 4.17. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
=
5000 -7000 MPa, n
đ
= 1000lần/ph
94

14
Hình 4.18. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi
khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
= 5000 -7000
Mpa, n
đ
= 1200lần/ph
96
Hình 4.19. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ
khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P
S
=
5000 -7000 MPa, n
đ
= 1200lần/ph
96
Hình 4.20. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá
có độ cứng P
s
= 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục P
o
= 9000N
98
Hình 4.21. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá
có độ cứng P
s
= 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục P
o

= 11.000N
98
Hình 4.22. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá
có độ cứng P
s
= 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục P
o
= 9000N
100
Hình 4.23. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá
có độ cứng P
s
= 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục P
o
= 11.000N
100
Hình 4.24. Một số hình ảnh mẫu khoan trong tầng argilit than (a), sét than
(b) và bởi rời liên kết yếu bằng bộ ống mẫu luồn PS-89
103
Hình 4.25. Hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng gió thải lò chợ vỉa 9Đ
trƣớc và sau khi tháo khí
104
Hình 4.26. Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ vỉa 9Đ mỏ than Mạo Khê
105



15
Më ®Çu
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 lƣợng khai thác than ở các mỏ than vùng Quảng
Ninh đã liên tục tăng nhanh. Trong tƣơng 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 thƣờng 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 ngƣời và tài sản mỏ nhƣ Công ty than Mạo
Khê năm 1999 làm thiệt mạng 19 ngƣời, 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 ngƣời. Tháng 3 năm 2006, tại Công ty than Thống Nhất đã xảy ra vụ nổ
khí Mêtan làm chết 8 ngƣời và gần đây nhất là vụ nổ khí tại Công ty than Khe
Chàm ngày 09 tháng 12 năm 2008 làm chết 11 ngƣời.
Theo Quyết định số 1338/QĐ-BCT ngày 17/03/2009 của Bộ Công
Thƣơng về việc xếp loại mỏ theo khí Mêtan thì Mỏ than Mạo Khê đƣợc xếp
loại mỏ siêu hạng với độ xuất khí Mêtan tƣơng đối là 15,58 m
3
/T.ngày-đêm.
Với độ xuất khí nhƣ 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 phƣơng pháp thông gió truyền thống để
làm giảm hàm lƣợng khí Mêtan trong mỏ đến mức an toàn; Mỏ Mạo Khê
cũng đã bắt đầu áp dụng phƣơng pháp khoan các lỗ khoan theo các hƣớng
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


16

dài thiết kế; nguyên nhân chủ yếu là do chƣa lựa chọn đƣợc phƣơng 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 phƣơng 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 trƣờng 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 phƣơng 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 tƣợng 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 hƣởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ cơ học khoan nhƣ 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 lƣợng 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 nƣớc.


17

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 phƣơng 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 nhƣợc điểm khi khoan bằng phƣơng 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 phƣơng 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 phƣơng 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 lƣợng chi phí cho phá hủy đá giảm từ 70% đến 51% so
với phƣơng pháp khoan xoay trong cùng một điều kiện đá, cùng loại thiết bị
và chế độ khoan nhƣng không sử dụng năng lƣợng đập.
9. Cơ sở tài liệu của luận án
Luận án đƣợc xây dựng trên cơ sở các tài liệu báo cáo tổng kết thăm dò
địa chất của ngành than; các tài liệu khai thác mỏ than của Công ty than Mạo
Khê, Tập đoàn Công nghiệp than - Khoáng sản Việt Nam cũng nhƣ các
Công ty thành viên của Tập đoàn. Các tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nƣớc
liên quan tới nội dung nghiên cứu của đề tài; các bài báo và các công trình
nghiên cứu khoa học của các tác giả đăng trong các tạp chí chuyên ngành
trong và ngoài nƣớc.
10. Khối lượng và cấu trúc của luận án


19

Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chƣơng nội dung nghiên cứu, kết
luận, kiến nghị, danh mục các công trình khoa học của tác giả đã đƣợc công
bố và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung của luận án đƣợc trình bày trong
137 trang trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14, font chữ Time New Roman, Unicode,
trong đó có 58 hình vẽ, 27 bảng biểu và phần phụ lục.
11. Lời cảm ơn
Luận án đƣợc hoàn thành tại bộ môn Khoan - Khai thác, khoa Dầu khí,
trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học tận tình của PGS.
TS Trần Đình Kiên - Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất và TS. Nguyễn Xuân
Thảo - Hội Công nghệ Khoan - Khai thác Việt Nam. Tác giả xin chân thành
tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hƣớng dẫn đã chỉ bảo trong suốt quá trình
nghiên cứu của tác giả.
Trong quá trình làm luận án, tác giả nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình
của các chuyên gia, các nhà khoa học thuộc Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt
Nam, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin, Công ty than Mạo Khê -
Vinacomin, Công ty than Khe Chàm - Vinacomin, Công ty than Mông Dƣơng
và Trung Tâm quản lý khí mỏ than Việt Nam - Viện Khoa học Công nghệ
Mỏ. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trƣớc sự hỗ trợ hết sức quý báu đó.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện của
Ban giám hiệu trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, các cán bộ hƣớng dẫn khoa học,
các cơ quan đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những ngƣời thân trong
gia đình, tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ
trong suốt thời gian khó khăn mà tác giả trải qua để hoàn thành luận án.
Xin ch©n thµnh c¶m ¬n !


20
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ

THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác hầm lò
trên thế giới
Ngày nay, khoa học đã khẳng định khí Mêtan thoát ra từ các mỏ khai
thác than xâm nhập vào bầu khí quyển là một trong những nguyên nhân chính
gây ra ô nhiễm môi trƣờng và hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, nếu nhìn nhận
dƣới góc độ tích cực thì bản thân khí Mêtan là một nguồn nguyên liệu dùng
làm khí đốt cho dân sinh; dùng cho công nghiệp hoá học; các nồi hơi, các lò
nung công nghiệp; dùng cho sản xuất điện. Nhƣ vậy, trong công nghiệp khai
thác than, nếu thu hồi và có công nghệ sử dụng hợp lý thì khí Mêtan lại là một
nguồn tài nguyên quý, đồng thời việc thu hồi khí Mêtan thoát ra trong quá
trình khai thác sẽ góp phần tích cực loại trừ đƣợc hiểm hoạ cháy nổ mỏ và
giảm thiểu gây ô nhiễm môi trƣờng.
Theo kết quả nghiên cứu của Trƣờng Đại học mỏ Quốc gia Xankt-
Peterburg - Liên bang Nga [34] thì trữ lƣợng khí Mêtan ở các mỏ than của 40
nƣớc trên thế giới từ 115 đến 350 nghìn tỷ m
3
; trong đó: Nga từ 51 đến 52
nghìn tỷ m
3
; Trung Quốc từ 30 đến 37 nghìn tỷ m
3
; Mỹ từ 19 đến 22 nghìn tỷ
m
3
; Canađa từ 10 đến 12 nghìn tỷ m
3
; Úc từ 8 đến 14 nghìn tỷ m
3
và

Indonesia từ 10 đến 11 nghìn tỷ m
3
.
Theo báo cáo của tổ chức nghiên cứu về khí Mêtan ở Mỹ và Giơnevơ
[34], các vụ tai nạn lớn, điển hình do nổ khí Mêtan ở các vỉa than trong giai
đoạn từ năm 2005 đến 2007 ở trên thế giới đƣợc trình bày ở bảng 1.1. Hiện
nay, tình trạng cháy nổ khí Mêtan ngày càng thêm trầm trọng do hệ thống
khai thác than hầm lò ngày càng xuống sâu và mở rộng quy mô khai thác.


21
Bảng 1.1. Các vụ tai nạn điển hình liên quan tới nổ khí Mêtan ở các mỏ than
hầm lò của một số nƣớc trên thế giới
Nƣớc
Thời gian
Mỏ than
Số lƣợng
ngƣời chết
Trung Quốc
14-2-2005
Mỏ than Xunzanvanh, giếng
Haizu, Phunxinh
214
Kazastan
20-9-2006
Mỏ mang tên Lênin, TP.
Karagand
43
Nga
19-3-2007

Mỏ than “Ulianovk” TP.
Kemerovo
108
Ucraina
19-11-2007
Mỏ than mang tên
Zaxiat’co, TP. Doneshk
80
Mỹ
2-6-2006
Mỏ than “Cago” miền bắc
Virgina
12

Theo kết quả nghiên cứu của Trƣờng Đại Mỏ Quốc gia Xankt-
Peterburg- Liên bang Nga [34], khai thác khí Mêtan của 14 nƣớc công nghiệp
trên thế giới đạt từ 75 - 80 tỷ m
3
/năm; trong đó: Mỹ đạt 54 tỷ m
3
/năm; Canada
đạt 7,5 tỷ m
3
/năm; Trung Quốc 5,8 tỷ m
3
/năm; Úc đạt 5,5 tỷ m
3
/năm. Riêng ở
Mỹ từ năm 1989 đến năm 2010, khối lƣợng khí Mêtan thu hồi từ các mỏ than
tăng 20 lần (từ 2,5 tỷ m

3
/năm đến 54 tỷ m
3
/năm); Canađa từ năm 2003 đến
năm 2010 tăng 15 lần (từ 0,5 tỷ m
3
/năm đến 7,5 tỷ m
3
/năm); Úc và Trung
Quốc từ giữa những năm 90 đến năm 2010 tăng hơn 10 lần (từ 0,4 - 0,5 tỷ
m
3
/năm đến 5,5 - 5,8 tỷ m
3
/năm). Hình 1.1 mô tả thực trạng thu hồi khí Mêtan
hàng năm và dự báo khả năng thu hồi khí Mêtan trong các mỏ hầm lò của một
số nƣớc trên thế giới [34].



22
0
20
40
60
80
100
120
1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2010 2011 2013 2015
Năm

Khối lượng thu hồi khí mê tan, tỷ tấn
Trung Quốc
Úc
Canada
Mỹ








Hình 1.1. Thực trạng và dự báo khối lƣợng thu hồi khí Mêtan
ở một số nƣớc trên thế giới
Ở Việt Nam, theo thống kê của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng
sản Việt Nam (Vinacomin), trong thời gian từ năm 1998 đến 2008 các mỏ than
hầm lò ở khu vực Quảng Ninh đã xảy ra 11 vụ tai nạn lao động do khí Mêtan,
chiếm 9,4% tổng số các vụ tai nạn lao động trong hầm lò; 41 ngƣời chết, chiếm
22,9 % trong tổng số ngƣời lao động bị tai nạn trong hầm lò. Đặc biệt, ngày
11/01/1999, tại mỏ Mạo Khê đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm 19 công nhân bị
thiệt mạng; ngày 06/3/2006, tại công trƣờng đào lò 3 – khu Yên Ngựa thuộc
Công ty than Thống Nhất, đã xảy ra một vụ nổ khí Mêtan cƣớp đi cuộc sống
của 8 thợ mỏ. Trong những năm gần đây, Tập đoàn đã tăng cƣờng đẩy mạnh
các biện pháp về quản lý khí mỏ nhƣ trang bị cho các mỏ các thiết bị quan
trắc khí, dự báo khí Mêtan ở các gƣơng lò khai thác, khoan tháo khí tiến trƣớc
để tháo khí Mêtan nhằm giảm nồng độ khí Mêtan xuất lộ trong quá trình khai
thác; đồng thời cũng đẩy mạnh công tác nghiên cứu khí mỏ và khả năng thu
hồi, sử dụng phục vụ cho các mục đích khác nhau.
Theo kết quả nghiên cứu [1, 4] thì đại đa số các mỏ than khai thác hầm

lò vùng Quảng Ninh đều thuộc mức độ nguy hiểm về khí Mêtan. Đặc biệt các


23
mỏ than khai thác ở chiều sâu từ -150m đến - 200m; trong tƣơng lai không xa
sẽ khai thác tới chiều sâu -300m đến – 400m. Sản lƣợng than khai thác càng
tăng, đồng nghĩa với lƣợng khí Mêtan và các loại khí khác thoát ra từ các vỉa
than trong quá trình khai thác càng lớn. Đây là một hiểm hoạ rất lớn đối với
công tác an toàn và môi trƣờng khai thác mỏ. Theo kết quả đánh giá sơ bộ,
với chiều sâu khai thác hiện nay và xuống sâu tới -400m, trữ lƣợng khí tại 7
khu vực khai thác hầm lò có khoảng 4,68 tỷ m
3
tƣơng đƣơng với 3,35 triệu tấn
khí Mêtan [3]. Đây là các khu vực cần đƣợc nghiên cứu để có các giải pháp
tháo khí trong vỉa than nhằm đảm bảo giảm thiểu nguy cơ cháy nổ khí và phục
vụ cho nhu cầu phát triển năng lƣợng.
Nhƣ vậy, việc thu hồi khí Mêtan trong các vỉa than trƣớc khi khai thác
là vấn đề cần thiết, không những góp phần loại trừ các hiểm hoạ liên quan tới
cháy nổ mỏ, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, mà còn thu hồi đƣợc nguồn
nhiên liệu giá trị phục vụ cho công nghiệp và dân sinh.
1.2. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới đang tồn tại hai phƣơng pháp cơ bản tháo và thu
hồi khí Mêtan từ các vỉa than:
- Phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất;
- Phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò.
1.2.1. Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất
Các lỗ khoan từ trên mặt đất đƣợc áp dụng để tháo và thu hồi khí ở các
vỉa than trƣớc khi đƣa vào khai thác hoặc ở các khu vực lò khai thác cũ, khu
vực lò đã phá hoả đánh sập ở phía sau gƣơng khai thác (hình 1.2). Các lỗ
khoan từ trên mặt đất để tháo và thu hồi khí là các lỗ khoan thẳng đứng,

đƣờng kính lớn; đƣờng kính cuối cùng thƣờng từ 200mm đến 300mm.




24








Hình 1.2. Vị trí các lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất
1. lỗ khoan thu hồi khí từ các vỉa than; 2. lỗ khoan thu hồi khí ở khu
vực phá hoả đánh sập
Cấu trúc lỗ khoan, chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào lƣu lƣợng khí cần
thu hồi và vị trí chiều sâu của vỉa than, vị trí lò khai thác cũ. Cấu trúc lỗ
khoan thƣờng phức tạp và đƣợc lựa chọn trên cơ sở điều kiện địa chất mỏ;
điều kiện kỹ thuật- công nghệ thi công và điều kiện lắp đặt các thiết bị khai
thác. Đồng thời cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Thân giếng cần phải bịt kín, ngăn cách tốt để không bị nƣớc bề mặt
hoặc nƣớc ngầm từ phía vách, trụ và đá bao quanh xâm nhập vào lỗ khoan,
đồng thời cũng ngăn cách không cho khí từ vỉa than thoát ra bên ngoài lỗ
khoan trong quá trình khai thác;
- Khoảng không gian giữa thân giếng và cột ống chống, ống khai thác
cần trám xi măng bịt kín không cho khí thoát vào khoảng không gian này;
- Đảm bảo lắp đặt các thiết bị, dụng cụ khai thác trong lòng giếng;
- Cần đảm bảo độ bền của lỗ khoan trong thời kỳ khai thác.

Thiết bị khoan là các thiết bị khoan đƣờng kính lớn nhƣ thiết bị khoan
GY-600; XY-42; LF-70; LF-90C; LF-90D; thiết bị URB - 3AM; thiết bị
1BA-15B; v.v kết hợp với công nghệ khoan phá mẫu bằng choòng chóp


25
xoay; công nghệ khoan xoay lấy mẫu bằng mũi khoan kim cƣơng nếu cần lấy
mẫu đá, mẫu than để nghiên cứu.













Hình 1.3. Cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất
1. ống định hƣớng; 2. ống trung gian; 3. ống chống; 4. ống khai thác; 5. vỉa
than; 6. tầng đệ tứ; 7. sét; 8. cát kết; 9. sạn kết; 10. bột kết.
Hình 1.3 mô tả cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất. Để tăng
khả năng thu hồi khí, các nƣớc trên thế giới [22, 24, 25, 35, 36] đã áp dụng
các phƣơng pháp khác nhau nhƣ phƣơng pháp tác động cơ học, phƣơng pháp
vật lý, phƣơng pháp hóa học hoặc phƣơng pháp nứt vỉa. Phƣơng pháp nứt vỉa
để tạo ra khe nứt, lỗ hổng trong vỉa than làm tăng khả năng thu hồi khí trong
lỗ khoan. Phƣơng pháp thu hồi khí từ các lỗ khoan trên bề mặt cho năng suất

từ 50% đến 90% lƣợng khí chứa trong vỉa than.
Phƣơng pháp thu hồi khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất có ƣu điểm: