Nghiên cứu chế độ thoát khí metan khi khai thác xuống sâu trong mỏ than hầm lò vùng quảng ninh

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

NGUYỄN VĂN THỊNH

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THOÁT KHÍ METAN KHI
KHAI THẤC XUỐNG SÂU TRONG MỎ THAN HẦM LÒ
VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019


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

NGUYỄN VĂN THỊNH

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THOÁT KHÍ METAN KHI
KHAI THẤC XUỐNG SÂU TRONG MỎ THAN HẦM LÒ
VÙNG QUẢNG NINH

Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 9 52 06 03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. ĐẶNG VŨ CH Í
2. TS. LÊ VĂN THAO

HÀ NỘI - 2019


3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các kết
quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Văn Thịnh


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các kết
quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Văn Thịnh


11

MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

Danh mục bảng biểu
Danh mục hình vẽ, đồ thi
Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu của đề tài
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
4. Nội dung nghiên cứu
5. Phương pháp nghiên cứu
6. Ý nghĩa kha học và giá trị thực tiễn của đề tài
7. Những luận điểm mới của luận án
8. Luận điểm khoa học
9. Cấu trúc của luận án
Chương 1. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí
mê tan trong các mỏ than hầm lò trên thế giới và Việt Nam
1.1. Đặc điểm chung về khí mê tan
1.2. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan ở các
mỏ than hầm lò trên thế giới
1.3. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu độ thoát khí mê tan ở các
mỏ than hầm lò ở Việt Nam
1.4. Nhận xét chương 1
Chương 2. Đặc điểm độ chứa khí mê tan của các vỉa than tại các
mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
2.1. Đặc điểm chung về độ chứa khí mê tan trong các vỉa than
2.2. Đặc điểm địa chất vùng than Quảng Ninh
2.3. Kết quả xác định độ chứa khí mê tan trong vỉa than của các mỏ
than hầm lò vùng Quảng Ninh
2.4.Nghiên cứu quy luật phân bố độ chứa khí mê tan trong vỉa than
của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
V. Nhận xét chương 2
Chương 3. Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác

xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
3.1. Nghiên cứu độ thoát khí mê tan tại các mỏ than hầm lò vùng
Quảng Ninh
3.2. Dự báo độ thoát khí mê tan ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng

iv
v
vii
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
5
5
13
30
34
36
36
39
43
57
63
64

64
85


iii

Ninh khi khai thác xuống sâu
3.3. Nhận xét chương 3
Chương 4. Đề thoát các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan
cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
4.1. Các biện pháp phòng ngừa mối nguy hiểm từ khí mê tan
4.2. Các biện pháp chủ động loại trừ mối nguy hiểm của khí mê tan
4.3. Nhận xét chương 4
Kết luận và kiến nghị
Danh mục công trình công bố của tác giả
Tài liệu tham khảo

93
94
94
98
117
119
121
123


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ĐB

Đông Bắc

ĐN

Đông Nam

TB

Tây Bắc

TKTD

Tìm kiếm thăm dò

TDBS

Thăm dò bổ sung

TDTM

Thăm dò tỉ mỉ

TOE

Tonne of Oil Equivelent: Hệ số quy đổi năng lượng
sang năng lượng dầu FO (1 tấn dầu FO= 1TOE, 1 tấn
than cốc = 0,75 TOE, 1 tấn than cám 1,2 = 0,7 TOE, 1
tấn than cám 3,4 = 0,6 TOE, 1 tấn than cám 5,6 = 0,5

TOE, 1 xăng ô tô = 1,05 TOE, 1 kW điện=
0 ,0 0 0 1 5 4 3 T o E.

CH Séc

Cộng hòa Séc

CHLB Đức

Cộng hòa Liên bang Đức

LC

Lò chợ

Lò CB

Lò chuẩn bị

Lò chợ CGH

Cò chợ Cơ giới hóa

CNKT

Công nghệ khai thác

HTKT

Hệ thống khai thác

DV

Lò dọc vỉa

XV

Lò xuyên vỉa

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai
thác than hầm do Bộ trưởng Bộ công thương ban hành
QCVN01:2011/BCT
kèm theo Thông tư số 03/2011/TT-BCT ngày 15 tháng
02 năm 2011


v

DANH MUC CÁC BẢNG BIỂU
Tên các bảng biêu
•

r r i /V

r

1

*?

1

•Á

Bảng 1.1. Nhiệt độ cháy nổ và hàm lượng khí mêtan trong không khí
Bảng 1.2. Thời gian gây nổ của khí mê tan trong mối tương quan với
hàm lượng khí và nhiệt độ nguồn lửa
Bảng 1.3. Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình trên thế giới và hậu quả
Bảng 1.4. Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình ở Việt Nam và hậu quả
Bảng 1.5. Sản lượng khai thác của một số nước trên thế giới
Bảng 1.6. D ự báo sản lượng khai thác than trên thế giới
Bảng 1.7. Trữ lượng than vùng Quảng Ninh
Bảng 2.1. Kết quả phân tích độ chứa khí metan trong các vỉa than của các
mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
Bảng 2.2. Kết quả dự báo độ chứa khí mê tan trong các vỉa than ở một số
mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
Bảng 3.1.Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR +30/+67
Bảng 3.2. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR +30/+67
Bảng 3.3.Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR -25/+30
Bảng 3.4. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò 6ĐMR -25/+30
Bảng 3.5. Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR -80/-25
Bảng 3.6. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR -80/-25
Bảng 3.7. Độ chứa khí mêtan lò chợ 6ĐMR -150/-80
Bảng 3.8. Kết quả tính toán độ thoát khí khu vực lò chợ 6ĐMR -150/-80
Bảng 3.9. Độ chứa khí mêtan lò chợ +40/+24 khu III vỉa 10
Bảng 3.10. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ + 40/+24 khu III vỉa 10
Bảng 3.11.Độ chứa khí mêtan lò chợ +20/-18 khu III vỉa 10
Bảng 3.12. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ +20/-18 khu III vỉa 10
Bảng 3.13.Độ chứa khí mêtan lò chợ -20/-46 khu III vỉa 10
Bảng 3.14. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -20/-46 khu III vỉa 10

Bảng 3.15.Độ chứa khí mêtan lò chợ -46/-65 khu III vỉa 10
Bảng 3.16. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -46/-65 khu III vỉa 10
Bảng 3.17.Độ chứa khí mêtan lò chợ-70/-100 khu III vỉa 10
Bảng 3.18. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ -70/-100 khu III vỉa 10
Bảng 3.19.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-2 (-25/-55)
Bảng 3.20. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-2 (-25/-55)
Bảng 3.21.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-5 (-55/-100)
Bảng 3.22. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-5 (-55/-100)
Bảng 3.23.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-4 (-100/-125)

Trang
8
9
11
13
16
16
30
44
59
65
65
65
66
66
66
67
67
67
68

68
68
69
69
69
69
70
70
71
71
71
71
72


vi
Bảng 3.24. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-4 (-100/-125)
Bảng 3.25.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-6 (-125/-168)
Bảng 3.26. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-6 (-125/-168)
Bảng 3.27.Độ chứa khí mêtan lò chợ 13.2-6.1 (-170/-198)
Bảng 3.28. Kết quả tính toán độ thoát khí lò chợ 13.2-4 (-170/-198)
Bảng 3.29. Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát
tại mỏ than Mạo Khê
Bảng 3.30. Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát
tại mỏ than Hà Lầm
Bảng 3.31. Tổng hợp chế độ khí mêtan của các lò chợ lựa chọn khảo sát
tại mỏ than Khe Chàm 1
Bảng 3.32. M ức khai thác một số mỏ than hầm lò qua các năm 2007-2015
Bảng 3.33. Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Mạo Khê
Bảng 3.34. Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Hà Lầm

Bảng 3.35. Thể tích khí mê tan thoát ra môi trường của mỏ than Khe
Chàm 1
Bảng 3.36. Các thông số địa chất kỹ thuật môt số lò chợ mỏ than M ạo Khê
Bảng 3.37. Các thông số địa chất kỹ thuật một số lò chợ mỏ than Hà Lầm
Bảng 3.38. Các thông số địa chất kỹ thuật một số lò chợ mỏ than Khe
Chàm 1
Bảng 3.39. Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí
mêtan mỏ than Mạo Khê
Bảng 3.40. Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí
mêtan mỏ than Hà Lầm
Bảng 3.41. Kết quả tính toán dự báo và kết quả đo đạc thực tế đô thoát khí
mêtan mỏ than Khe Chàm 1
Bảng 4.1. Các thông số lỗ khoan tại một khám khoan
Bảng 4.2. Đặc tính kỹ thuật của máy bơm rửa loại WT-30-2PB
Bảng 4.3. So sánh ưu nhược điểm của 2 phương án

72
72
73
73
73
74
75
77
83
83
83
84
89
90

90
90
91
92
110
113
116


vil
D A N H M U C C Á C H ÌN H V Ẽ , Đ Ồ T H I
Tên các bảng biêu
Hình 1.1. Hỗn hợp nổ của mê tan với không khí
Hình 1.2. Giới hạn nổ phụ thuộc vào áp suất ban đầu
Hình 1.3. Quan hệ giữa độ thoát khí mêtan tuyệt đối với sản lượng lò
chợ (Vùngthan Silesia Balan)
Hình 1.4. Quan hệ giữa độ thoát khí Mê tan tuyệt đối với sản lượng lò chợ
Hình 1.5.. Đồ thị biến thiên hàm lượng M ê tan trong luồng gió thải của lò
chợ vỉa XXXII mỏ than Brzeszcze trong 1 tuần
m

A

r

1

1

• Á

T rang
7
8
17
18
18

Hình 1.6. Đồ thị biến thiên hàm lượng M ê tan theo biểu đồ chu kỳ sản
thoát lò chợ vỉa XXXII mỏ than Brzeszcze

19

H ình 1 .7 . S ự p h â n b ổ k h í mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ

20

dài theo p h ư ơ n g với hệ thổng thông gió nghịch
Hình 1.8. Sự phân bổ khí mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ dài
theo phương với thông gió từ dưới lên trên
Hình 1.9. Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác lò chợ dài theo
phương với thông gió từ trên xuống
Hình 1.10. Sự phân bố khí mê tan trong hệ thống khai thác khấu đuổi
Hình 1.11. Cường độ thoát khí từ mặt lộ gương theo thời gian
Hình 1.12. Sự thoát khí từ than đã khai thác
Hình 1.13. Sự thoát khí từ than đã khấu của vỉa than Bonđurevski
thuộc mỏ Kirov vùng Kuzbas
Hình 1.14. Sự phân bố hàm lượng khí mêtan trong tiết diện đường lò
Hình 1.15. Sự tăng hàm lượng khí mêtan trong luồng gió thải ở lò chợ
Hình 1.16. Phân bố hàm lượng mêtan trong không gian đã khai thác của lò chợ

Hình 1.17. Sự phát triển hàm lượng khí Mêtan trong lò chợ vỉa B, Mỏ Lupeni
Hình 2.1. Phân bố độ chứa khí mêtan ở Tây Bắc và miền Trung bể than Silesia
Hình 2.2. Phân bố độ chứa khí mê tan ở phía Nam của bể than Silesia
Hình 2.3. Các miền khí phân theo chiều sâu
Hình 2.4. Bản đồ vị trí địa lý bể than Quảng Ninh
H ình 2.5. B iến thiên độ chứa k h í mê tan trong vỉa than của m ỏ than

21
21
22
22
23
23
24
25
26
26
36
37
38
39
57

M ạo K hê
H ình 2.6. Biến thiên độ chứa k h í mê tan trong vỉa than của m ỏ than

58

H à Lầm
H ình 2.7. B iến thiên độ chứa k h í mê tan trong vỉa than m ỏ than K he

Chàm

58


viii

Hình 3.1. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt
đối mỏ than Mạo Khê
Hình 3.2. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tương
đối mỏ than Mạo Khê
Hình 3.3. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt
đối mỏ than Hà Lầm
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tương
đối mỏ than Hà Lầm
Hình 3.5. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tuyệt
đối mỏ than Khe Chàm 1
Hình 3.6. Mối quan hệ giữa độ chứa khí và độ thoát khí mê tan tương
đối mỏ than Khe Chàm 1
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tuyệt
đối mỏ than Mạo Khê
Hình 3.8 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tuyệt
đối mỏ Hà Lầm
Hình 3.9 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tuyệt
đối mỏ Khe Chàm 1
Hình 3.10 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tương
đối mỏ than Mạo Khê
Hình 3.11 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tương
đối mỏ Hà Lầm
Hình 3.12 Mối quan hệ giữa sản lượng và độ thoát khí mê tan tương

đối mỏ Khe Chàm 1
Hình 3.13. Thể tích khí metan thoát ra tư các mỏ than hầm lò
Hình 3.14. M ỗi tương quan giữa kết quả dự báo và kết quả đo đạc thực tế
về độ thoát khí mê tan
Hình 4.1. Sơ đổ bố trí lỗ khoan thăm dò
Hình 4.2. Hình ảnh thiết bị đo, cảnh báo khí mê tan cầm tay
Hình 4.3. Thiết bị MMI-01
Hình 4.4. Sơ đồ khối về hệ thống quan trắc

75
75
76
77
78
78
79
80
80
81
81
82
85
92
95
96
97
98


ix

Hình 4.5. Phương pháp khoan tháo khí mêtan trong khi khai thác sử dụng
các lỗ khoan từ lò thông gió

100

H ình 4.6. S ơ đồ vị trí lò c h ợ I - 11-5 m ỏ than K he Chàm 1

101

Hình 4.7. Sơ đồ bố trí thiết bị tháo khí tại khám khoan
Hình 4.8.Hệ thống máy khoan WD-02EA, WD-02H
Hình 4.9. Hệ thống máy khoan WDP-1C, WDP-2A
Hình 4.10. Hệ thống máy khoan WDH-1
Hình 4.11. Sơ đồ đưa khí mêtan lên mặt đất và xả ra bầu khí quyến
Hình 4.12. Sơ đồ xả khí mêtan ra đường lò thông gió của trạm quạt

111
112
113
113
115
115


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14 tháng 3 năm 2016 của Thủ
tướng Chính phủ về việc Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển ngành than

Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, tại điều 1, mục II.2.b
có nêu “Sản lượng than thương phẩm sản xuất toàn ngành trong các giai đoạn
của quy hoạch: Khoảng 41 - 44 triệu tấn vào năm 2016; 47 - 50 triệu tấn vào
năm 2020; 51 - 54 triệu tấn vào năm 2025 và 55 - 57 triệu tấn vào năm 2030”.
Để đạt được yêu cầu về sản lượng các mỏ than hầm lò ngày càng phải
xuống sâu, mở rộng quy mô cũng như áp dụng cơ giới hóa trong khai thác và
đào lò. Sản lượng than khai thác tăng kéo theo lượng khí mê tan thoát ra các
lò chợ và lò chuẩn bị ngày càng nhiều. Khí mê tan là loại khí có thể gây ra
hiện tượng cháy nổ hết sức nguy hiểm.
Trong lịch sử khai thác than hầm lò trên Thế giới và ở Việt Nam đã xảy ra
nhiều vụ cháy nổ khí CH4 gây tử vong hàng chục, thậm chí đến hàng trăm người và
phá huỷ cơ sở vật chất của các mỏ than. Do tính chất nguy hiểm của khí mê tan
thoát ra trong các đường lò mỏ gây nguy cơ cháy nổ mà ngành khai thác than
hầm lò trên Thế giới cũng như ở Việt Nam luôn đặt vấn đề phòng chống cháy
nổ khí metan lên hàng đầu, trong đó có việc nghiên cứu độ thoát khí metan và
độ chứa khí metan trong các vỉa than là nguồn gốc gây thoát khí metan ra các
đường lò mỏ.
Ở nước ta, các công trình nghiên cứu về độ chứa khí và thoát khí metan
đã được thực hiện từ nhiều năm nay nhưng chủ yếu tập trung và các mỏ có độ
thoát khí cao, chưa mang tính chất tổng thể và chưa đưa ra dự báo khi khai
thác xuống sâu cho mỗi vùng khoáng sàng hay từng mỏ than hầm lò để có
biện pháp ngăn ngừa tích tụ khí quá giới hạn cho phép hữu hiệu.
Để đánh giá được mức độ nguy hiểm của khí mê tan đối với mỗi mỏ than
hoặc mỗi khu vực khai thác, cần phải xác định được chế độ thoát khí mê tan của
mỏ hoặc khu vực khai thác đó. Trong đó vấn đề đặc biệt quan trọng là nghiên
cứu xác định độ chứa khí mê tan trong các vỉa than và độ thoát khí me tan ra


2

các đường lò mỏ một cách định lượng để áp dựng phương pháp khai thác và
sử dụng phương tiện phòng chống cháy nổ khí mê tan phù hợp vừ bảo đảm an
toàn vừa nâng cao hiệu quả kinh tế.
Vì vậy “Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu trong
mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh"mang tính cấp thiết.
2. Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng
Ninh khi khai thác xuống sâu.
- Đề xuất các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí metan phù hợp khi tiến
hành khai thác tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Độ thoát khí và độ chứa khí mê tan trong các vỉa
than ảnh hưởng đến quá trình khai thác xuống sâu tại các mỏ than hầm lò vùng
Quảng Ninh.
Phạm vi nghiên cứu: của đề tài là các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về nghiên cứu chế độ thoát khí mê tan trong các
mỏ than hầm lò trên Thế giới và Việt Nam
- Nghiên cứu đặc điểm độ chứa khí mê tan khi khai thác xuống sâu trong
các vỉa than của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
- Nghiên cứu độ thoát khí mê tan khi khai thác xuống sâu tại các mỏ than
hầm lò vùng Quảng Ninh
- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mê tan phù hợp
cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp khảo sát, tổng hợp, kế thừa các tài liệu;
- Phương pháp phân tích, thống kê và phương pháp đồ thị;
- Phương pháp nội suy tuyến tính và phi tuyến tính.
6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

3

6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Xây dựng các hàm hồi quy theo
phương pháp bình phương nhỏ nhất để dự báo độ chứa khí và thoát khí mê tan
tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh;
- Dự báo được quá trình thoát khí mê tan vào các khu vực khai thác trên
cơ sở xác định được độ thoát khí metan ở mức khai thác trên bà dự báo độ thoát
khí metan cho mức khai thác tiếp theo.
6.2. Giá trị thực tiễn của đề tài: kết quả nghiên cứu góp phần xác định, dự
báo độ thoát khí metan và khu vực khai thác tại các vỉa than của các mỏ than
hầm lò vùng Quảng Ninh khi khai thác xuống sâu để có biện pháp phòng ngừa
cháy nổ khí metan phù hợp.
7. Những điểm mới của luận án
- Xây dựng được hàm hồi quy về độ chứa khí mê tan trong các vỉa than tại
các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có dạng phương trình y = a.xb.
- Thành lập bản đồ phân vùng khí mê tan theo phạm vi và theo chiều sâu
của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
- Dự báo độ thoát khí mê tan cho các lò chợ tại các mỏ than hầm lò vùng
Quảng Ninh có dạng hàm hồi quy y=0,8651x +0,00246 với độ lệch R2=0,9896,
với kết quả đo đạc thực tế bằng kết quả dự báo nhân thêm với hệ số k =0,8651và
cộng với 0,00246
8. Luận điểm khoa học
- Càng khai thác xuống sâu thì độ chứa khí và độ thoát khí mê tan càng tăng;
- Cùng một điều kiện địa chất, độ thoát khí mê tan phụ thuộc vào độ chứa
khí metan trong vỉa và sản lượng khai thác;
- Đối với hệ thống khai khai thác chia lớp, độ thoát khí mê tan ở lò chợ
lớp vách lớn hơn ở lò chợ lớp trụ.
9. Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị.
10. Lời cảm ơn
Luận án được hoàn thành tại trường Đại học Mỏ- Địa chất dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Vũ Chí- Trường Đại học Mỏ- Địa chất và TS Lê
Văn Thao- Hội Khoa học và công nghệ mỏ Việt Nam.
Tác giả luận án xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu,
Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Mỏ, Bộ môn Khai thác hầm lò trường Đại học
Mỏ- Địa chất, đặc biệt là hai cán bộ hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Vũ Chí


4

và TS. Lê Văn Thao đã tận tình giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình
nghiên cứu.
Tác giả luận án cũng xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học, các bạn bè
đồng nghiệp, Hội khoa học công nghệ mỏ Việt Nam, xin gửi lời cảm ơn tới lãnh
đạo, cán bộ các đơn vị: Tập đoàn công nghiệp than- khoáng sản Việt Nam, Các
công ty khai thác, hỗ trợ khai thác các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, đặc
biệt là Trung tâm An toàn mỏ, Viện KHCN mỏ-Vinacomin, Trung tâm cấp cứu
mỏ- Vinacomin,... đã hỗ trợ số liệu, tài liệu thực tế và đóng góp ý kiến phục vụ
công tác nghiên cứu.


5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘ THOÁT KHÍ MÊTAN
TRONG CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ KHÍ MÊ TAN
1.1.1. Đặc điểm của khí mê tan tại các mỏ than hầm lò

Tính chất hóa lý của khí mê tan
Mêtan (CH ị) là loại Cacbuahyđrô bão hoà đơn giản nhất của nhóm
paraíỉn. Là khí không mầu, không mùi, không vị. Khối lượng riêng của nó
trong điều kiện bình thường là 0,716 kg/ m 3 , nhẹ hơn nhiều lần so với
không khí. Nó có thể hoà tan trong etanol, ete, hoà tan kém trong nước (đến
3,5% trong điều kiện bình thường). Mặc dù mê tan là khí không ảnh hưởng tới
quá trình hô hấp nhưng hàm lượng đáng kể trong không khí sẽ gây nguy
hiểm bởi vì khí mêtan đẩy khí ôxy (4,8% mêtan sẽ đẩy 1%ôxy). Mê tan là
khí có khả năng cháy nổ . Khi hàm lượng thể tích của mê tan nằm trong
khoảng từ 5 - 15% và hàm lượng ôxy tối thiểu khoảng 8% hỗn hợp có khả
năng nổ, hỗn hợp nổ mạnh nhất khi hàm lượng mê tan đạt 9,5%. Giới hạn nổ
của khí mêtan không cố định và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vị trí
cháy, cường độ gia nhiệt ban đầu. Theo chiều giảm áp suất, giới hạn nổ sẽ
thu nhỏ lại. Theo chiều gia tăng nhiệt độ - giới hạn nổ sẽ mở rộng ra và
ngược lại.
Phản ứng cháy của khí mêtan được biểu thị như sau:
CH4+ 2O2 ^

CO2 + 2H2O + 55594 KJ trên 1kg CH4

(1.1)

Nhiệt độ tối đa khi nổ trong buồng kín là 26 500 C, áp suất tối đa khi
nổ là 650kPa (6,5at).
1.1.1.2. Nguồn gốc hình thành khí mê tan tại các mỏ than
Khí mêtan ở những vỉa than được tạo thành cùng thời gian và cùng các
chất hữu cơ với than trong quá trình hình thành tạo than. Trong quá trình ôxy
hóa từ thực vật, nhờ ôxy riêng của nó, sẽ tạo nên những sản phẩm khí sau:
CH4 , CO 2 , hơi nước axit hữu cơ dưới dạng chất bốc. Người ta thấy rằng vi

6

sinh vật, vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong việc kích thích lên men thực vật.
Quá trình lên men thực vật sẽ giải phóng một lượng lớn mêtan và cacbonic,
sự phân hủy xenlulô tiến hành như sau:
2C 6H 10O 5 = 5CH4 + 5CO 2 + 2C

(1.2)

4C 6H 10O 5 = 7CH4 + CO 2 + 3H 2 O + C 9H6 O

(1.3)

Lượng khí mêtan tạo ra phụ thuộc vào thành phần của chất kích thích
lên men và những điều kiện xảy ra quá trình lên men.
Khí metan được tạo thành, nếu có điều kiện đi lên mặt đất thì nó sẽ mất
đi. Ngược lại, ta có thể gặp mêtan ở mọi nơi mà ở đó đã xảy ra quá trình lên
men thực vật khi không có điều kiện thoát ra ngoài khí quyển.
Trong đất đá và khoáng sàng, mêtan sẽ tồn tại dưới hai dạng sau: dạng
tự do và dạng không tự do.
- Dưới dạng tự do, mêtan sẽ chiếm tất cả những lỗ hổng trong lòng đất.
Theo M. Ianôscôi, lượng mêtan tự do chiếm tỷ lệ 5-22% tổng số hiện có ở
dạng áp suất 50 barơ; 36% ở áp suất 100 barơ và 65% ở 800 barơ.
- Dưới dạng không tự do, khí mêtan tồn tại theo ba kiểu sau:
Hấp phụ: là liên kết các phân tử mêtan với bề mặt chất rắn dưới tác
động của lực hút phân tử mà không có phản ứng hóa học.
Hấp phụ xâm nhập : Xâm nhập phân tử mêtan vào chất rắn tạo ra
“dung dịch rắn”, không có phản ứng hóa học.
Hoạt hóa: Liên kết hóa học nghịch một phần giữa các phân tử mêtan và

chất rắn.
Lượng khí mê tan tồn tại cơ bản trong khối than, đá ở dạng liên kết hấp phụ.
1.1.2. Các điều kiện gây nổ của khí mêtan
Hỗn hợp mêtan-không khí chỉ có thể nổ khi có sự tham gia đồng thời
của các yếu tố sau: 1: Hàm lượng mêtan, 2: Hàm lượng ôxy trong không khí,
3: Nhiệt độ gây nổ, 4: Thời gian gây nổ
Hàm lượng mêtan và ôxy
Nếu hàm lượng mê tan dưới 5% thì mê tan sẽ cháy khi tiếp xúc với
nguồn nhiệt, trong khoảng từ 5 -16% thì xảy ra hiện tượng nổ, trên 16% cháy


7

tại bề mặt tiếp xúc với không khí. Khoảng giới hạn gây nổ của khí metan được
gọi làm giới hạn nổ trên 16% và ở dưới 5%. Hỗn hợp nổ mạnh nhất khi hàm
lượng mê tan đạt 9,5%.

1- Vùng không tạo được hôn hợp nổ
2- Vùng hỗn hợp nổ
3- Vùng hôn hợp có thể nổ nếu có thêm không khí
Hình 1.1. Hôn hợp nổ của mê tan với không khí
Giới hạn nổ của khí mê tan không cố định và phụ thuộc vào áp suất,
nhiệt độ, vị trí cháy, cừơng độ gia nhiệt ban đầu. Theo chiều giảm áp suất, giới
hạn nổ sẽ thu nhỏ lại. Theo chiều gia tăng nhiệt độ, giới hạn nổ sẽ mở rộng ra
và ngược lại. Sự phụ thuộc của giới hạn nổ vào áp suất ban đầu được thể hiện
trên hình 1.2


8

Hình 1.2. Giới hạn nổ phụ thuộc vào áp suất ban đầu
1.1.2.2. Nhiệt độ gây nổ
Nhiệt độ gây nổ của hỗn hợp mêtan- không khí thay đổi phụ thuộc vào
hàm lượng khí mêtan trong không khí. Nhiệt độ gây nổ thấp nhất với hàm
lượng khí khoảng 7,6 %. Sự phụ thuộc của nhiệt độ gây nổ vào hàm lượng
khí mê tan trong hỗn hợp không khí và được giới thiệu trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Quan hệ về nhiệt độ và hàm lượng khí mê tan
trong không khí dân đến cháy nổ
CH4 , %

2

T 0 gây nổ

810

3,4
665

6,5
512

7,6
510

8,1
514

9,5
525

11

14

539

565

1.1.2.3. Thời gian ủ nhiệt dẫn đến cháy nổ khí mê tan
Thời gian ủ nhiệt dẫn đến cháy nổ khí mê tan của khí mê tan là một tính
chất đặc trưng. Sự cháy, nổ không xảy ra ngay sau khi hỗn hợp khí tiếp xúc
với nguồn nhiệt, mà xảy ra sau một thời gian nhất định. Thời gian này
giảm đi nhiều khi nhiệt độ lên cao và tăng không đáng kể khi hàm lượng mê
tan trong không khí tăng lên. Thời gian trễ khi cháy nổ khí mêtan được giới
thiệu trong bảng 1.2


9

Bảng 1.2. Thời gian ủ nhiệt của khỉ mê tan trong mối tương quan với hàm
lượng khỉ và nhiệt độ nguồn lửa
T°C
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

1°

1,40s

0,41s

0,15s

12

1,64s

0 ,4 4 s

0,16s

ch 4,%

Ghi chú: s là thời gian tỉnh bằng giây

Dựa vào thời gian ủ nhiệt của khí mê tan người ta chế tạo các loại thuốc
nổ an toàn mà thời gian làm mát của các sản phẩm nổ ngắn hơn thời gian trễ
khi nổ của mê tan trên cơ sở làm trễ thời gian này bằng các phụ gia trộn vào
thuốc nổ.
1.1.3. Hậu quả của vụ nổ khí mê tan
1.1.3.1. Hiện tượng nổ mêtan
Nổ khí mêtan có thể nổ dây chuyền, nghĩa là nổ đi, nổ lại nhiều lần.
Hiện tượng này được giải thích như sau: khi nổ mêtan, các chất khí dãn nở rất
lớn, làm cho nhiệt độ và áp suất xung quanh tâm nổ tăng lên nhanh chóng, tạo

ra áp suất âm giữa tâm nổ do sự chênh lệch áp suất khí giữa đất đá xung
quanh, khí metan dồn về tâm nổ. Mêtan là một chất khí linh động, nên dồn về
tâm nổ, trên đường đi gặp nhiệt độ từ đợt nổ trước được gió đưa đến sẽ gây nổ
lặp. Với điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, mêtan lại gây nổ lần thứ hai. Hiện
tượng nổ như vậy cứ diễn ra cho đến khi hết mêtan, hoặc hàm lượng oxy ở
vùng giảm xuống không để gây nổ.
Khi nổ mêtan sẽ sinh ra làn sóng nổ. Tốc độ lan truyền của sóng nổ,
dọc theo đường lò, lúc đầu tăng theo sự tăng của hàm lượng mêtan trên
5...6%, nhưng sau đó giảm đến bằng không. Tốc độ lan truyền này càng lớn
nếu như trước khi nỏ, mêtan ở trạng thái di động. Trong quá trình lan truyền


10

của sóng nổ, dọc theo đường lò, nếu gặp phải các vật cản ở đường lò thì tốc
độ làn truyền của sóng nổ càng tăng từ vài chúc mét đến hàng trăn mét trong
một giây.
1.1.3.2. Hậu quả nổ khí mêtan
Khi nổ khí mêtan, ở trên nổ xảy ra hàng loạt quá trình biến đổi lý hóa.
Nổ mêtan không có gì khác so với bất kỳ hiện tượng nổ khí nào, vì trong một
thời gian hết sức ngắn, do sự cháy thể tích khí ban đầu biến thành một thể tích
rất lớn các khí khác. Trong thời gian nổ, nhiệt độ không khí tăng lên rất cao,
do phản ứng hóa học giữa mêtan và oxy.
Nhiều công trình nghiên cứu đã cho thấy, khí mêtan nổ trong một môi
trường kín, nhiệt độ có thể tới 26500C. Trong thực tế mỏ, nhiết độ không vượt
quá 18500C. Với nhiệt độ này, mọi vật thể đều có thể bị cháy thành tro bụi.
Ngoài ra nhiệt độ trên còn gây ra cháy làm tăng thêm hậu quả của vụ nổ.
Một hậu quả khác của nổ mêtan là hậu quả cơ học. Do tác dụng này mà
các toa tầu có thể bị lật đổ, đường tàu bị bẻ gãy, các thiết bị máy móc bị phá
hủy, đường ống gió cục bộ, ống dẫn khí nén, máng cào cũng bị phá hủy,

ngoài ra còn phá hủy khung chống lò hoặc phá sập đường lò.
Hậu quả lớn nhất của nổ khí mêtan cũng như nổ bụi than là hậu quả hóa
học. Vì nổ khí mêtan sẽ ta ra một lượng lớn khí CO và với lượng khí này
được gió đưa đến các đường lò và các hộ tiêu thụ gió gây tử vong cho người
lao động do nhiễm khí độc. Mặt khác, khi nổ mêtan, do sự giãn nở của không
khí mà bụi than đã lắng đọng ở nền lò hoặc trên các khung chống, bị tung lên
hòa lẫn với không khí, có thể đạt đến hàm lượng nổ. Và khi ngọn lửa cháy
mêtan đốt cháy hỗn hợp bụi than này thì cường độ của vụ nổ sẽ tăng lên, đồng
thời làm tăng hàm lượng khí độc.
Qua các tài liệu thống kê về các tác hại của các vụ nổ khí mêtan và bụi
mỏ, người ta thấy răng: khoảng 8-10% số người chết do tác dụng cơ học
khoảng, 25% bị chết do tác dụng nhiệt, còn khoảng 65% bị chết do tác dụng
hóa học.


11

Trong các bảng 1.3 và 1.4 giới thiệu một số vụ nổ khí mêtan điển hình
ở các mỏ hầm lò trên thế giới và ở các mỏ than hầm lò ở Việt Nam.
Bảng 1.3. Các vụ cháy nổ khỉ mêtan điển hình trên thế giới và hậu quả
TT
1

1907 Agrapê số 2

Bỉ

Nguyên
Số người
chết

nhân
Nổ khí mêtan
124

2

1908 Đônbát

Liên xô (cũ)

Nổ khí mêtan

270

3

1908 Ham Vestfali

Đức

Nổ khí mêtan

335

4

1922 Aureli vỉa 5 Luperi

Ru-ma-ni

Nổ khí mêtan

82

5

1940 Luperi

Ru-ma-ni

Nổ khí mêtan

53

6

1942 Hôn-kêi-kô

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

1527

7

1963 Miike

Nhật Bản

Nổ khí + bụi

458

8

1965 Clyđêch Vale

Anh

Nổ khí mêtan

31

9

1965 Yamano

Nhật Bản

Nổ khí mêtan

237

10

1965 Liêvanh

Pháp

Nổ khí mêtan

31

11

1965 Kakan

Nam Tư

Nổ khí mêtan

129

12

1965 Uricani

Ru-ma-ni

Nổ khí mêtan

41

13

1965 Nitêtin Kôgiô

Nhật Bản

Nổ khí mêtan

30

14
15

1965 Jubôri
1972 Uricani
1974 Liêvanh

Nhật Bản
Ru-ma-ni

Nổ khí mêtan
Nổ khí mêtan

60
> 30

Pháp

Nổ khí mêtan

42

Mỹ

Nổ khí mêtan

24

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

38

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

92

Nga
Trung Quốc

Nổ khí mêtan
Nổ khí mêtan

13
148

16

Năm

Tên mỏ -Bểthan

17

1976 Kentắcki
18
2001 Mỏ Trần Gia SơnThiên Tân
19
2001 Mỏ Ngũ Phó- Từ
Châu Giang Tô
20 10-2004 Siberia
21 10-2004 Daping-Xinm

Nước

22

11-2005 Đông Phong-tỉnh
Hắc Long Giang

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

161

23

5-2005 Sơn Tây

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

20


12

24

2005 Hà Tất, tỉnh Hà
Nam, Trung Quốc

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

34

2-2005 Thành phố Phúc Tân Trung Quốc

Nổ khí mêtan

214

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

171

4-2006 Tỉnh Thiểm Tây

Trung Quốc
6-2006 Liêu Ninh
Trung Quốc
9-2006 Zasiadko ở Donetsk Ucraina
9-2006 Karaganda
Kazakhstan

Nổ khí mêtan
Nổ khí mêtan

24
22

Nổ khí mêtan

13

Nổ khí mêtan

43

11-2006 Ký Tây, tỉnh Hắc
Long Giang

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

21

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

32

Balan

Nổ khí mêtan

23

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

24

Nổ khí mêtan

30

Nổ khí mêtan

20

37

2-2007 La Precio-laNorte de Colombia
Santander

5-2007 Bắc Trung Quốc
Trung Quốc
9-2006 Zasyadko
Ucraina

Nổ khí mêtan

13

38

1-2007 Yile, phía tây nam

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

11

39

3-2007 Miaojiang

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

20

40

3-2007 Yujialing- Shanxi

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

26

41

Ucraina

Nổ khí mêtan

63

42

11-2007 Zasyadko- miền
Đông Donetsk
3-2007 Ulyanovskaya

Nga

Nổ khí mêtan

>100

43

5-2007 Yubileinaya- Siberia Nga

Nổ khí mêtan

28

44

12-2007 Rui Zhiyuan-Sơn
Tây
12-2007 Tỉnh Vân Nam

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

105

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

18

Trung Quốc

Nổ khí mêtan

30

25
26
27
28
29
30
31

2005 Tỉnh Hà Bắc

32 11-2006 Trường Viên- Vân
Nam
33 11-2006 Ruda Slaskain
34 11-2006 Nam Sơn-Sơn tây
35
36

45

46 05-2009 Đồng Hoa -Trùng
Khánh

47 06-2009 Sawah Lunto- West
Sumatra
Indonesia

Nổ khí mêtan ____9____

13

Nổ khí mêtan

108

49

11-2009 Mỏ miền Đông tỉnh Trung Quốc
Hắc Long Giang
4-2013 Jebel Amir
Sudan

Nổ khí mêtan

109

50

5-2014 Soma- Manisa

Nổ khí mê

299

48

Thổ Nhĩ Kỳ

Bảng 1.4. Các vụ cháy nổ khí mêtan điển hình ở Việt Nam và hậu quả

TT

Thời
gian

Tên mỏ

Nguyên nhân

Số người
chết

1

1-1999 Mạo Khê

Nổ khí mêtan

19

2

3-2006 Thống Nhất

Nổ khí mêtan

8

3

12-2008 Khe Chàm

Nổ khí mêtan

11

4

7-2012 Công ty than 86

Nổ khí mêtan

5

5

01-2014 Mỏ than Đồng Vông

Cháy khí mêtan

6

1.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘ THOÁT
KHÍ MÊ TAN Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI
1.2.1. Tổng quan tình hình khai thác than hầm lò trên thế giới
1.2.1.1. Trữ lượng than
Theo BP Statistical (2016), trữ lượng xác minh than thế giới được
thống kê tại thời điểm cuối năm 2015 vào khoảng 891.531 triệu tấn, gồm than
antraxit, bitum là 403.199 triệu tấn (45,2%). Còn than á bitum và than nâu là
488.332 triệu tấn (54,8%).

Trong đó, ở khu vực châu Âu và Eurasia (Liên Xô trước đây): 310.538
triệu tấn (chiếm 34,8%); châu Á - Thái Bình Dương 288.328 triệu tấn (chiếm
32,3%); khu vực Bắc Mỹ 245.088 triệu tấn (chiếm 27,5%); khu vực Trung
Đông - châu Phi 32.936 triệu tấn (chiếm 3,7%); Trung - Nam Mỹ 14.641 triệu
tấn (chiếm 1,6%).