nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí mêtan ở mỏ than hầm lò vùng mạo khê tóm tắt luận án

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

Ngành: Kỹ thuật dầu khí
Mã số: 62.52.06.04




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014


2
Công trình đƣợc hoàn thành tại: Bộ môn Khoan - Khai thác,
Khoa Dầu khí, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất



Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Trần Đình Kiên
2. TS Nguyễn Xuân Thảo

Phản biện 1: PGS. TS Trƣơng Biên

Phản biện 2: TS Khƣớu Hữu Bộ

Phản biện 3: TS Nguyễn Xuân Hòa






Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án cấp
Trƣờng, họp tại trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Từ Liêm, Hà Nội
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện: Thƣ viện Quốc gia Hà Nội
hoặc Thƣ viện Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất


3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
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.
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 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


4
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.
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.
- 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


5
- 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 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


6
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
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 138 trang trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14,


7
font chữ Time New Roman, Unicode, trong đó có 58 hình vẽ, 27
bảng biểu và phần phụ lục.
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.
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 và phƣơng pháp thu hồi khí
Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò.
1.3. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí
Mêtan ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan
tháo khí ở các mỏ than khai thác hầm lò nói chung và ở mỏ than Khe


8
Chàm, Mạo Khê nói riêng mới chỉ ở giai đoạn đầu, chƣa có công
trình nghiên cứu khoa học nào đƣợc công bố. Vì vậy, việc nghiên
cứu, lựa chọn công nghệ hợp lý khoan các lỗ khoan tháo khí phù hợp
với điều kiện địa chất ở mỏ Mạo Khê nói riêng và ở các mỏ than khai
thác than hầm lò ở vùng Quảng Ninh nói chung là rất cần thiết, rất có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
CHƢƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VÀ
TIỀM TÀNG KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ
2.1. Đặc điểm địa chất và tính chất cơ lý đá
2.1.1. Đặc điểm cấu trúc địa tầng
Địa tầng khu mỏ Mạo Khê thuộc địa tầng trầm tích than Quảng
Ninh và đƣợc phân chia thành hai khối Nam Bắc rõ rệt bởi đứt gẫy
FA [15].
2.1.2. Đặc điểm kiến tạo và hệ thống đứt gãy
Đặc trƣng về kiến tạo khu mỏ là các uốn nếp và phay phá đứt
gẫy. Toàn bộ khu mỏ gồm 18 đứt gẫy lớn, nhỏ; chủ yếu theo đƣờng
phƣơng của vỉa, một số đứt gẫy cắt chéo theo hƣớng Tây Nam.
2.1.3. Tính chất cơ lý đá
Các kết quả nghiên cứu địa chất cho thấy cấu trúc địa tầng
mỏ Mạo Khê cũng tƣơng tự nhƣ cấu trúc địa tầng vùng mỏ Quảng

Ninh. Các nham thạch phân bố theo lớp và chuyển tiếp theo qui luật
chung. Các lớp sét than, sét kết, bột kết nằm sát vỉa than và tạo
thành vách, trụ vỉa than; nằm xa vỉa than là các lớp cát kết, sạn kết,
cuội kết.
2.2. Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê
Các vỉa than ở mỏ Mạo Khê đều thuộc loại than biến chất cao;
màu sắc của than biến đổi từ màu đen đến màu đen xám. Than tƣơng


9
i rn chc, cng ca than theo cp khoan t III-V; cng
theo cp f thng ln hn 2; khi lng riờng 1,55 1,70 g/cm
3
.
Khoỏng vt thng gp trong mu than l sột arghilit, oxit silic.
2.3. Hin trng khai thỏc than v tỡnh trng khớ Mờtan m
Mo Khờ
2.3.1. Hin trng khai thỏc than m Mo Khờ
Hiện nay, mỏ than Mạo Khê đang tiến hành khai thác ở cánh
Bắc gồm các vỉa 9
b
Tây, mức -80/-25; V8 Tây, mức -80/+30; V8 Đ
mức -150/-80, V7

Đ.TR, mức -80/-25; V7 T mức -80/-25; V6 T mức
-80/-25; V6 Đ.V mức -80/-25; V6

Đ.TR mức -80/-25; V6

Đ.MR mức

-80/-25.
ở cánh Nam gồm vỉa 8 CN ĐN II, mức 80/ LV; V.8 CN-
ĐN I, mức 80/+25.
2.3.2. c im v khớ Mờtan m Mo Khờ
Theo kt qu nghiờn cu ca cỏc chuyờn gia trong v ngoi
nc [1, 4, 12, 22, 24, 35, 36], tu theo tng iu kin to thnh ca
m m khớ tn ti trong va than v ỏ vỏch c chia thnh cỏc dng
nh sau:
- Khớ tn ti dng t do trong cỏc khe nt, l hng ca va
than v t ỏ bao quanh va.
- Khớ tn ti dng bỏm dớnh, liờn kt húa lý bn vng v
thng tỏch ra khi than khi cú ngoi lc tỏc ng nh p,
nghin,v.v
- Khớ tn ti ln trong nc cỏc va than trong cỏc tng ỏ
ngm nc, cha nc.
2.3.3. Các giải pháp an toàn phòng ngừa khí mêtan xuất hiện
trong lò


10
Trong giai đoạn hiện nay, song song với việc áp dụng hệ thống
hợp lý thông gió, mỏ Mạo Khê đã và đang nghiên cứu áp dụng công
nghệ khoan tháo khí Mêtan từ các vỉa than, hoặc từ các khu vực chứa
khí Mêtan, khí độc khác.
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG
HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ
3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang
3.1.1. Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá

Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang
Tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan xác định
theo công thức sau:

tck
PPPP 
0
(3.4)
trong đó:
k
P
- tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi
khoan, N;
0
P
- tải trọng tối đa cho phép của đầu máy khoan và phụ
thuộc vào đặc tính kỹ thuật của máy khoan, N;
c
P
- trọng lƣợng cần
khoan, N;
3.1.2. Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang

o
Hình 3.4. Hiện tƣợng cong lỗ khoan
ngang do lệch tâm bộ dụng cụ khoan

Hình 3.5. Hƣớng cong lỗ khoan ngang



11





3.1.3. Các dạng phức tạp trong khoan ngang
Nói chung, các dạng phức tạp trong khoan ngang cũng tƣơng
tự nhƣ trong khoan thẳng đứng.
Thực tế cho thấy trong lỗ khoan ngang không tồn tại cột nƣớc
rửa, và rất ít trƣờng hợp sử dung dịch sét để khoan. Vì vậy, dọc
thành lỗ khoan ở phía trên luôn luôn có xu hƣớng bị sập lở.






Ở trạng thái tĩnh, phần trên của thành lỗ khoan ngang ở chiều
sâu
Z

, cách tâm lỗ khoan một khoảng cách
r
(hình 3.9) và chịu các
lực tác dụng:
Z
Z 0


(3.10)
trong đó:
0

- trọng lƣợng riêng của đá, N/m
3
; z - khoảng cách
lỗ khoan so với mặt đất,m.
Ứng suất ngang
r

ở hông thành lỗ khoan xác định theo
công thức:

r
=
Z
z 0


(3.11)
trong đó:






1
- hệ số lực đẩy hông;

- hệ số Poisson.
Hình 3.6. Khả năng lỗ khoan bị lệch
hƣớng khi gặp đá có độ cứng khác nhau

Hình 3.7. Lệch hƣớng lỗ khoan khi
khoan trong vỉa than

Hình 3.8. Hình dạng thành trên của
lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ
Hình 3.9. Trạng thái khối đá bao
quay thành trên lỗ khoan ngang



12
Giá trị hệ số

thay đổi tùy theo từng loại đá, đối với sét từ
0,35 - 0,40; cát kết từ 0,15 – 0,20; đá cacbonát từ 0,25 – 0,30.
Trong các lỗ khoan ngang, các rãnh phụ và hang hốc thƣờng
xuất hiện ở thành dƣới lỗ khoan đặc biệt khi khoan qua các địa tầng
liên kết yếu nhƣ các tầng sét-acgilit, các vỉa than. Nguyên nhân chính

là do trọng lƣợng cột cần luôn luôn có xu hƣớng tỳ lên thành dƣới
thành lỗ khoan kết hợp với nhiều lần kéo thả bộ dụng cụ khoan. Sơ
đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan mô tả ở hình 3.10.








3.2. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí
Mêtan ở mỏ Mạo Khê
3.2.1. Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê
Căn cứ vào nhiệm vụ kế hoạch khai thác vỉa than 9Đ và tiềm
năng khí Mêtan trong vỉa than sẽ bố trí các lỗ khoan ngang dài trên
vách lò chợ để tháo khí trƣớc khi khai thác. Lỗ khoan đƣợc bố trí tại
khám khoan cách gƣơng lò chợ sẽ khai thác 350m (hình 3.12). Trong
khám khoan sẽ bố trí các lỗ khoan hình dải quạt hƣớng về phía
gƣơng lò chợ. Lỗ khoan thứ nhất hợp với trục lò gió thải một góc
30
0
; lỗ khoan thứ hai hợp với lỗ khoan thứ nhất một góc 15
0
. Các lỗ
khoan bố trí nhƣ vậy sẽ thu hồi khí ở vỉa than và đá vách trƣớc khi
khai thác và ở khoảng không gian lò chợ đã phá hoả đánh sập sau khi
a
1
2

Hình 3.10. Sơ đồ tạo rãnh phụ trong
lỗ khoan ngang

Hình 3.11. Sơ đồ tác dụng cần khoan
với thành dƣới của lỗ khoan ngang
trong quá trình khoan



13
khai thác. Vị trí và cấu trúc lỗ khoan ngang tháo khí ở than 9Đ mức -
80 xem hình 3.12 và hình 3.13.






Hình 3.12. Vị trí lỗ khoan tháo khí ở khu vực lò chợ vỉa 9Đ
chuẩn bị khai thác









Hình 3.13. Cấu trúc lỗ khoan ngang thu hồi khí tại vỉa 9Đ

Số lƣợng lỗ khoan
n
tại khu vực khai thác xác định theo công
thức:
MT
Q
Q
n 
(3.19)
Q - Trữ lƣợng khí trong khu vực khai thác lò chợ;
Q
MT
- khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác,
m
3
/tháng


14
3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo
Khê
3.2.2.1. Các quan điểm về lựa chọn công nghệ khoan hợp lý
3.2.2.2. Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học khoan trên cơ sở tiêu hao
năng lượng phá huỷ đá
Theo quan điểm này, muốn tăng tốc độ cơ học cần: tăng năng
lƣợng phá huỷ đá bằng cách tăng tốc độ quay cột cần khoan và tải
trọng chiều trục lên mũi khoan; giảm năng lƣợng phá huỷ đá bằng
cách sử dụng cấu trúc mũi khoan hợp lý và chế độ công nghệ khoan
phù hợp với tính chất cơ lý đá; giảm diện tích tiết diện đáy lỗ khoan
bằng cách khoan các lỗ khoan đƣờng kính nhỏ.

3.2.2.3. Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học trên cơ sở cơ lựa chọn
các thông số chế độ khoan hợp lý .
Theo quan điểm này, tốc độ cơ học khoan đƣợc xác định bởi
các thông số chế độ khoan: tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần
khoan; lƣu lƣợng nƣớc rửa; tính chất cơ lý đá và đặc tính kỹ thuật
của mũi khoan.
3.2.3. Lựa chọn phƣơng pháp và chế độ công nghệ khoan ngang
tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê
3.2.3.1. Lựa chọn phương pháp khoan
Căn cứ vào đặc điểm công nghệ khoan ngang và yêu cầu tháo
khí hiện tại ở mỏ Mạo Khê; đề tài đã lựa chọn phƣơng pháp khoan
xoay - đập để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo
Khê. Thiết bị khoan là thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W
do hãng Koken Nhật Bản sản xuất; dụng cụ khoan là bộ dụng cụ
khoan ống mẫu luồn PS-89.
3.2.3.2. Lựa chọn chế độ công nghệ khoan


15
Tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan trong khoan ngang
xoay – đập đƣợc xác định theo công thức [31, 33, 39] :
sto
.PS.k.P 
(3.30)
trong đó:
k
- hệ số ma sát của mũi khoan với đá. Hệ số
k
thay
đổi phụ thuộc vào tính chất của đá, tính chất nƣớc rửa và cấu trúc

mũi khoan. Trong cùng một loại đá, cùng loại mũi khoan khi rửa
bằng dung dịch sét, hệ số
3,05,0 k
; khi rửa bằng nƣớc lã
2,035,0 k
;
23,017,0 

; hệ số đặc trƣng cho sự thay đổi
diện tích tiếp xúc của các hạt cắt trong mũi khoan với đá;
t
S
- diện
tích của các hạt cắt trong mũi khoan, cm
2
; 
đ
- ứng suất kháng nén
của đá, N/cm
2
.
Tốc độ vòng lựa chọn theo công thức thực nghiệm của O. V.
Ivanov [33] nhƣ sau:

D
).P0038,064,3(91,1
n
s



(3.31)
trong đó: n - tốc độ quay cột cần khoan, v/ph; D - đƣờng kính lƣỡi
khoan, mm.
Mối liên hệ giữa tốc độ quay cột cần khoan và tần số đập xác
định theo công thức [27, 31]:
tb
y
πD
δn
n 
(3.33)
Khoảng dịch chuyển

đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào tính chất
cơ lý đá và tần số đập của cơ cấu đập [27, 39]. Đối với đá cấp VI-VII
theo độ khoan,

= 70mm - 90mm; đá cấp VIII-IX theo độ khoan,


= 60mm - 80mm; đá cấp IX-XI theo độ khoan,

= 40mm - 60mm.
Dung dịch dùng trong khoan xoay - đập là nƣớc lã; lƣu lƣợng
nƣớc rửa đƣợc lựa chọn khi khoan ống mẫu luồn: 40-60 l/ph.


16
Theo kinh nghiệm của các chuyên gia [27, 31, 39], chế độ
khoan xoay - đập đƣợc lựa chọn theo hƣớng dẫn ở bảng 3.1.

Bảng 3.1. Các thông số chế độ khoan xoay - đập
Loại đá
P
0
, N
n, v/ph
Q, l/ph
n
đ
,
lần/ph
Bột kết hạt nhỏ mịn, cấp
VI-VII theo độ khoan,
3000-
5000
200-
250
40-50
800-
900
Bột kết, cát kết hạt nhỏ
mịn,ít mài mòn, cấp VIII-
IX theo độ khoan,
7000-
9000
200-
300
40-50
1000-
1200

Bột kết, cát kết, sạn kết,
mài mòn, nứt nẻ, cấp IX-
XI theo độ khoan
7000-
13000
200-
300
40-50
1000 -
1600
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
4.1. Thiết bị khoan thử nghiệm
Thiết bị khoan thử nghiệm là thiết bị RPD-130SL-F2W do
hãng Koken Nhật Bản sản xuất. Đây là thiết bị khoan xoay kết hợp
với khoan xoay - đập. Thiết bị khoan RPD- 130SL-F2W đƣợc bố trí
hai cơ cấu truyền tải trọng chiều trục cho mũi khoan phá hủy đá: hệ
thống thủy lực kết hợp với xích truyền lực và năng lƣợng đập bằng
cơ cấu đập lắp đặt ở đầu máy khoan (cơ cấu đập đỉnh). Nhờ đó, khi
khoan đá cứng rắn chắc sẽ kết hợp hai lực truyền cho mũi khoan: tải
trọng chiều trục và lực đập đƣợc truyền từ cơ cấu đập.
Dụng cụ khoan gồm bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89: cần
khoan, bộ ống mẫu, mũi khoan.


17
32
34

24
0
5
10
15
20
25
30
35
40
%
40
20
13
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
%
Ảnh hưởng của tải tr ọng chi ều tr ục
Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay
Ảnh hưởng của l ưu l ượng nước r ửa
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

Nghiên cứu thử nghiệm đƣợc tiến hành tại lỗ khoan tháo khí ở
vỉa 9Đ cánh Đông mức - 80 mỏ than Mạo Khê, khoan trong đá cát
kết, hạt nhỏ mịn cấp IX- X, độ cứng theo Sreinher P
s
= 5000 – 7000
MPa và khoan đá bột kết cấp VII-VIII, độ cứng theo Sreinher P
s
=
2000 -3000 MPa bằng bộ ống mẫu luồn PS - 89, mũi khoan đƣờng
kính 101mm, kiểu HS-C. Kết quả tổng hợp tính toán sự ảnh hƣởng
của các thông số chế độ khoan tới tốc độ khoan bằng phƣơng pháp
nêu trên đƣợc mô tả ở hình 4.3.








a) b)
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
a) Đá bột kết màu xám đen; P
s
= 2000 – 3000 MPa
b) Đá cát kết hạt nhỏ mịn đến trung bình,

4.3. Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay -
đập hợp lý


18



19
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
80 120 160 200
Tốc độ vòng quay, v/ph
Tốc độ cơ học, m/h
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m
1.
2.
3.
4.
5.

6.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
80 120 160 200
Tốc độ vòng quay, v/ph
Tốc độ cơ học, m/h
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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

Hình 4.21. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan
xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa
khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N
1. V
m
khi khoan xoay thuần túy; 2. E khi khoan xoay thuần túy; 3. V
m
khi n
đ
=1000lần/ph;
4. E khi n
đ
=1000lần/ph; 5. V
m
khi n
đ
=1200lần/ph; 6. E khi n
đ
=1200lần/ph.


20


21
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00

2,50
80 120 160 200
Tốc độ vòng quay, v/ph
Tốc độ cơ học, m/h.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m
1.
2.
3.
4.
5.
6.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
80 120 160 200
Tốc độ vòng quay, v/ph
Tốc độ cơ học, m/h.
0,00
0,50
1,00
1,50

2,00
2,50
Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Hình 4.22. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan
xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa
khi tải trọng chiều trục Po = 9000N
Hình 4.23. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan
xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa
khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N
1. V
m
khi khoan xoay thuần túy; 2. E khi khoan xoay thuần túy; 3. V
m
khi n
đ
=1000lần/ph;
4. E khi n
đ
=1000lần/ph; 5. V
m
khi n
đ
=1200lần/ph; 6. E khi n
đ

=1200lần/ph.


22
Trên cơ sở kết quả thử nghiệm, ta lựa chọn chế độ công nghệ
hợp lý khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ
ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang dài tháo khí
Mêtan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê nhƣ trình bày ở bảng 4.20.
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
Đất đá
Tải trọng
chiều
trục, kN
Tốc độ quay
cột cần
khoan,v/ph
Tần số
đập,
lần /ph
Lƣu
lƣợng
nƣớc
rửa, l/ph
Bột kết cấp VII-
VIII, P
s
= 2000 -
3000 MPa
7-9

160-180
900-
1100
50-60
Đá cát kết hạt nhỏ
mịn cấp IX- X,
P
s
= 5000 -7000
MPa
9-11
160-200
1000-
1200
50-60
4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức
-80
Theo kết quả quan trắc hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng
gió thải lò chợ vỉa 9Đ trƣớc khi tháo khí cao nhất là 1,62%, trung
bình 0,73%; thấp nhất 0,54% và thƣờng xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá
ngƣỡng cảnh báo, ngắt điện. Sau khi tháo khí bằng các lỗ khoan
ngang, hàm lƣợng khí Mêtan cao nhất là 0,9 % (giảm gần 50% so
với hàm lƣợng khí Mêtan cao nhất khi chƣa tháo khí), trung bình là
0,66% và thấp nhất là 0,50%. Hàm lƣợng khí Mêtan tƣơng đối ổn
định, ít xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá ngƣỡng cảnh báo (CH
4
=1%),
không có trƣờng hợp vƣợt quá ngƣỡng cắt điện (CH
4
= 1,3%). Vì

23
vy, ó tng hiu qu s dng thi gian khai thỏc t 5% - 10% do
gim thi gian ngng ngh vỡ cnh bỏo hoc ngt in; dn ti sn
lng khai thỏc than lũ ch cng tng n 33,4%. ng thi chi
phớ cho thụng giú lũ ch gim 30,4% so vi trc khi ỏp dng h
thng thỏo khớ [6, 7].
Kết luận và kiến nghị
KT LUN
Từ các kết quả nghiên cứu tác giả có một số kết luận sau:
1. a tng cha than m Mo Khờ l a tng trm tớch bao
gm cỏc va than, cỏc lp sột kt, sột than, bt kt, cỏt kt, sn kt v
cui kt. Cu trỳc khỏ phc tp bao gm nhiu t gy, phỏ hu
Cỏc yu t ny ó nh hng khụng nh ti la chn k thut - cụng
ngh khoan.
M than Mo Khờ thuc loi m nguy him v khớ Mờtan vi
thoỏt khớ tng i l 15,58 m
3
/T.ng.. Quỏ trỡnh thoỏt khớ Mờtan
ng hnh cựng quỏ trỡnh khai thỏc v din bin phc tp ph thuc
vo loi lũ, cụng ngh khai thỏc; c im cu trỳc va than, cu trỳc
ỏ bao quanh, thm thu v c im tng tr khớ trong va than,
trong ỏ bao quanh. Vỡ vy, vic nghiờn cu la chn phng phỏp
thỏo khớ phự hp vi iu kin a cht, iu kin khai thỏc m
Mo Khờ m an ton trong khai thỏc v bo v mụi trng l
vic cn thit , cú ý ngha khoa hc v thc tin.
2. La chn phng phỏp khoan xoay - p bng thit b
khoan xoay - p RPD-130SL-F2W v b ng mu lun PS-89
khoan cỏc l khoan ngang di thỏo khớ Mờtan l hp lý, phự hp vi

iu kin khai thỏc m v nhu cu thỏo khớ hin ti m Mo Khờ.
Kt qu nghiờn cu th nghim trong iu kin thc t m
Mo Khờ cho thy tc c hc khi khoan cỏc l khoan ngang thỏo


24
khí bằng thiết bÞ khoan xoay - ®Ëp RPD-130SL-F2W và bộ ống luồn
PS-89 tăng trung bình từ 1,45 đến 1,7 lần và năng lƣợng phá hủy đá
giảm trung bình từ 70% đến 51% so với khoan xoay trong cùng một
điều kiện đất đá, cùng chế độ khoan nhƣng không sử dụng tần số đập
của cơ cấu đập.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thử nghiệm trong điều kiện thực
tế, tác giả đã lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý
bằng thiết bị khoan xoay- đập RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn
PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo
Khê nhƣ sau: tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan nằm trong
khoảng P
o
= 9000N - 11000N; tốc độ quay cột cần khoan n =
170v/ph - 190v/ph; lƣu lƣợng nƣớc rửa Q = 50 - 60l/ph; tần số đập n
đ

= 1000 - 1200lần/ph, khi khoan đá cát kết, đồng nhất, hạt nhỏ mịn
cấp VIII-IX, P
s
= 5000 -7000MPa và khi khoan trong đá bột kết đồng
nhất cấp VII-VIII , P
s
= 2000 -3000MPa, tải trọng chiều trục P
o

truyền cho mũi khoan nằm trong khoảng từ 7000N- 9000N và tƣơng
ứng với giá trị vòng quay n = 160v/ph – 180v/ph; tần số đập n
đ
= 900
- 1100lần/ph.
3. Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ vỉa than 9Đ mỏ Mạo Khê
bằng các lỗ khoan ngang trung bình đạt 36,2%. Do đó đã tăng hiệu
quả sử dụng thời gian khai thác từ 5% - 10%, dẫn tới sản lƣợng khai
thác than ở lò chợ cũng tăng đến 33,4%. Đồng thời chi phí cho thông
gió lò chợ giảm 30,4% so với trƣớc khi áp dụng hệ thống tháo khí.
KIẾN NGHỊ
Đề nghị áp dụng phƣơng pháp khoan xoay - đập kết hợp với
công nghệ khoan ống mẫu luồn và các kết quả nghiên cứu của luận
án để khoan các lỗ khoan ngang dài tháo khí Mêtan ở một số mỏ than
khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh có nhu cầu tháo khí Mêtan và


25
điều kiện địa chất, điều kiện khai thác tƣơng tự nhƣ mỏ than Mạo
Khê.
Trong quá trình áp dụng, cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện
công nghệ khoan xoay - đập, lựa chọn thiết bị, chế độ công nghệ
khoan phù hợp với từng điều kiện khoan cụ thể và nhu cầu tháo khí
của mỏ.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
1. Phan Xuân Dƣơng, Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân
(2004), Nghiên cứu áp dụng Công nghệ khoan tháo khí nhằm
nâng cao hiệu quả an toàn ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh,
Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 16, Hà Nội,
tr.220-227.
2. Phan Xuân Dƣơng, Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân
(2008), Công nghệ khoan các giếng đường kính lớn mở vỉa khí
hóa than ngầm, Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần
thứ 18, Hà Nội, tr.74-78.
3. Trần Đình Kiên, Nguyễn Trần Tuân (2009), Một số vấn đề lựa
chọn phương pháp khoan các lỗ khoan thu hồi khí Mêtan ở các
mỏ than khai thác hầm lò, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ
toàn quốc lần thứ XX, Vũng Tàu, tr.182-186.
4. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân (2004), Nghiên cứu công
nghệ khoan tháo khí nhằm thu hồi khí Mêtan và ngăn ngừa