Bài giảng Phòng ngừa hiểm họa khai thác hầm lò khi khai thác xuống sâu: Phần 1 (Trình độ cao học)

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của bài giảng "Phòng ngừa hiểm họa khai thác hầm lò khi khai thác xuống sâu (Trình độ cao học)" cung cấp cho học viên những nội dung về: đặc điểm khai thác hầm lò khi xuống sâu và các hiểm họa từng xảy ra trên thế giới và Việt Nam; phòng ngừa các hiểm họa về khí Mêtan trong khai thác mỏ hầm lò;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Phòng ngừa hiểm họa khai thác hầm lò khi khai thác xuống sâu: Phần 1 (Trình độ cao học)

v BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH ----- --------------------------- BÀI GIẢNG CAO HỌC PHÒNG NGỪA HIỂM HỌA KHAI THÁC HẦM LÒ KHI KHAI THÁC XUÔNG SÂU QUẢNG NINH-202
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH BÀI GIẢNG CAO HỌC PHÒNG NGỪA HIỂM HỌA KHAI THÁC HẦM LÒ KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU Ngành đào tạo: Kỹ thuật mỏ TS. Nguyễn Văn Thản 2
LỜI GIỚI THIỆU Trong ngành công nghiệp khai thác than, khoáng sản tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ gây mất an toàn lao động, đặc biệt là trong khai thác than hầm lò khi xuống sâu. Môi trường khai thác than trong hầm lò là một môi trường đặc biệt nguy hiểm vì có sự xuất hiện của các chất khí độc, hại và dễ cháy nổ tồn tại trong lòng đất (CO, CH4...), nhiệt độ không khí trong mỏ hầm lò có xu hướng tăng dần theo chiều sâu khai thác, vấn đề bụi than phát sinh trong quá trình khai thác và vận chuyển than làm tăng mức độ nguy hiểm của môi trường mỏ lầm lò. Nếu để xảy ra sự cố liên quan đến cháy, nổ khí mê tan và bụi than, hậu quả sẽ vô vùng nghiêm trọng và việc xử lý sẽ rất tốn kém về kinh tế, thời gian. Do đó, phòng ngừa hiểm họa khai thác hẩm lò khi khai thác xuống sâu và việc đảm bảo an toàn sức khỏe, tính mạng cho những người lao động trong hầm lò cần được đặt lên hàng đầu. Học phần phòng ngừa hiểm họa khai thác hầm lò khi khai thác xuống sâu được bố cục thành 6 bài, với những nội dung chính như sau: Bài 1: Đặc điểm khai thác hầm lò khi xuống sâu và các hiểm họa từng xảy ra trên thế giới và Việt Nam. Bài 2: Phòng ngừa các hiểm họa về khí Mêtan trong khai thác mỏ hầm lò. Bài 3: Phòng ngừa các hiểm họa về cháy mỏ trong khai thác mỏ hầm lò. Bài 4: Phòng ngừa các hiểm họa về nhiễm độc trong khai thác mỏ hầm lò. Bài 5: Phòng ngừa các hiểm họa khác thường gặp trong khai thác mỏ hầm lò. Bài 6 : Công tác ứng cứu khi có hiểm họa xảy ra Mặc dù tác giả đã có những cố gang nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót trong quá trình biên soạn các nội dung của môn học. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp hữu ích của các bạn đọc để tác giả tiếp tục hoàn thiện bài giảng môn học này. Xin trân trọng cảm ơn! 3
MỤ C L Ụ C ĐÈ MỤC TRANG Lời giới thiệu 3 Mục lục 4 1 Bài 1: Đặc điếm khai thác hầm lò khi xuống sâu và các hiểm họa 5 từng xảy ra trên thế giới và Việt Nam 1.1 Đặc điểm chung về khai thác hầm lò khi xuống sâu 5 1.2 Các hiểm họa từng xảy ra trong khai thác hàm lò trên thế giới 6 1.3 Các hiểm họa từng xảy ra trong khai thác hầm lò tại Việt Nam 6 2 Bài 2 Phòng ngừa các hiếm họa về khí Mêtan trong khai thác mỏ 7 hầm lò 2.1 Nguôn gôc và các dạng tôn tại của khí mêtan trong vỉa 7 2.2 Độ chứa khí của vỉa than và cách xác định 8 2ề3 Phòng ngừa hiểm họa cháy nổ khí mêtan 11 2.4 Phòng ngừa hiểm họa phụt khí và than 12 3 Bài 3: Phòng ngừa các hiểm họa về cháy mỏ trong khai thác mỏ 17 hầm lò 3.1 Khái quát chung 17 3.2 Nguyên nhân cháy mỏ 17 3.3 Phòng ngừa hiểm họa cháy mỏ trong khai thác 18 4 Bài 4: Phòng ngừa các hiểm họa về nhiễm độc trong khai thác mỏ 67 hầm lò 4.1 Thành phần không khí mỏ 67 4.2 Tính chất các loại khí và hàm lượng cho phép các chất khí trong mỏ hầm 67 lò 4.3 Các chất khí độc và nổ trong mỏ 70 4.4 Phòng ngừa hiểm họa nhiễm độc trong khai thác mỏ hầm lò 74 5 Bài 5: Phòng ngừa các hiểm họa khác thường gặp trong khai thác 76 mỏ hầm lò 5.1 Khái quát chung 76 5.2 Phòng ngừa hiểm họa về bục nước, bục bùn khi khai thác hầm lò 76 5.3 Phòng ngừa các hiêm họa trong quá trình đào lò, khai thác 80 5.4 Phòng ngừa các hiêm họa do thiêt bị điện, vận tải và trong công tác nô mìn 84 Bài 6: Công tác ứng cứu khi có hiêm họa xảy ra 90 6.1 Các trang thiêt bị dùng cho đội câp cứu 90 6.2 Tô chức công tác thủ tiêu sự cố, cấp cứu mỏ 111 Tài liêu tham khảo • 115 4
BÀI 1 ĐẶC ĐIỂM KHAI THÁC HẦM LÒ KHI XUỒNG SÂU VÀ CÁC HIỂM HỌA TỪNG XẢY RA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM l . l. Đặc điểm chung về khai thác hầm lò khi xuống sâu. Đặc điểm chung khi khai thác hầm lò xuống sâu đối với các mỏ hầm lò sẽ gặp nhiều khó khăn và hiểm họa hơn so với mức nông. Các khó khăn có thể kể đến là điêu kiện khai thác mỏ xuống sâu sẽ phức tạp về công tác mở vỉa, thông gió, vận tải, đi lại, công tác thoát nước và đặc biệt là công tác điều khiển áp lực mỏ. Các hiểm họa có xu hướng tăng cả về cường độ, số lượng cũng như tính chất và mức độ khi càng khai thác xuống sâu. Khi khai thác mỏ càng xuống sâu sẽ gặp một số khó khăn và hiểm họa sau đây: Phương án mở vỉa thường được lựa chọn là mở vỉa bằng giếng đứng, do phương án mở vỉa bằng giếng nghiêng thì chiều dài giếng chính, giếng phụ rất lớn, năng lực vận tải thông qua của giếng nghiêng hạn chế hơn sơ với giếng đứng, dẫn đến đầu tư xây dựng mỏ kéo dài thời gian và suất đầu tư lớn, làm ảnh hưởng đến hiệu quả đâu tư mỏ cũng như ảnh hưởng trực tiêp đến hiệu quả kinh tế và người lao động. Công tác thông gió cũng gặp khó khăn do đường lò có chiều dài lớn, sơ đồ thông gió phức tạp, các chất lchí sinh ra nhiều hơn do diện lộ than và đất đá lớn cũng như khả năng phát sinh nhiệt độ của đất đá xung quanh đường lò và khu vực khai thác ngày càng tăng khi xuống sâu, năng lực đáp ứng của các quạt gió hạn chế do đó ảnh hưởng trực tiếp đên công tác thiết kế, tính toán lựa chọn, sơ đồ, hệ thống thông gió cũng như thiết bị thông gió mỏ, làm ánh hưởng trực tiếp đến điều kiện làm việc của người lao động. Công tác vận tải phúc tạp và khó khăn do chiều dại đường lò lớn sẽ ảnh hưởng đên công tác vận tải, đi lại trong quá trình khai thác mỏ. Đường lò dài thì hệ thông thiêt bị vận tải sẽ nhiều, công suất thiết bị phải lớn, việc điều hành công tác vận tải ngày càng phức tạp và giảm hiệu suất của các thiết bịế Ngoài ra, là côn tác đi lại cũng khó khăn do phải vặn chuyên và đi lại quãng đường lớn và mất nhiều thời gian, ảnh hưởng đến năng suất và sức khỏe người lao động. Hiểm họa về khí no sẽ có nguy cơ cao hơn, vì theo nguyên lý càng xuống sâu thì hàm lượng khí mê tan trong vỉa than có xu hướng tăng cao, cùng với đó là nguy cơ phụt khí bất ngờ do khả năng dự báo sẽ khó khăn hơn mức nông, kết hợp với khó khăn về công tác thông gió sẽ làm tăng nguy cơ cháy nô khí mỏ. Nguy cơ về cháy mỏ cũng tăng lên vì theo nguyên lý càng xuống sâu nhiệt độ đất đá càng lớn, kết hợp với khó khăn thông gió sẽ làm tăng nguy cơ phát sinh sự cố cháy mỏ. Nguy cơ bục nưóểc, bục bùn và điêu khiên áp lực mỏ cũng tăng do khi xuống sâu, khả tăng tàng trữ nước, bùn trong đất đá nguyên khối và cả khu vực đã khai thác đều có xu hướng tăng làm tăng nguy cơ bục nước, bục bùn trong quá trình khai thác mỏ. Đặc biệt là nguy cơ sập dổ lò do áp lực mỏ ngày càng lớn. 1 . 2 . Các hiểm họa từng xảy ra trong khai thác hầm lò trên thế giới. Một số vụ tai nạn cháy nô khí mê tan trên thế giới được thế hiện trong bảng 1.1 5
Bảng 1.1: Tổng hợp một sổ vụ nổ khí mêían trên thế giới TT Tên nước Thời gian Tên mỏ ( Bể Số vụ Sô người chết than) 1 Nhật Bản 1945-1985 405 1956 1965 Yamono 1 237 2 Trung Quôc 1942 Benshi 1 1527 2003 2297 2005 6000 ' 2006 4746 3 Mỹ 5/4/2010 Ưpper Big Branch 1 29 4 New Zeaỉand 19/11/2010 1 29 5 Thô Nhĩ Kỳ 13/5/2014 Manisa 1 301 6 Nga 8/5/2010 Kemerovơ 1 60 25/2/2016 Sevemaya 1 30 28/2/2016 Sevemaya 1 6 1908 Đôn bát 1 270 7 Bỉ 1907 Agrapee Nr.2 1 124 8 Tây Đức 1908 Ham Vestíali 1 335 9 Nam Tư 1965 Kakan 1 129 1.3. Các hiêm họa từng xảy ra trong khai thác hầm lò tại Việt Nam. Tống hợp các vụ tai nạn cháy nổ khí mê tan ớ Việt Nam thể hiện trong bảng 1.2 Bảng 1.2 Tống hợp một số vụ cháy nổ khí mêtan tại Việt Nam TT Tên mỏ Thời gian Sô người chết Số người bị thương 1 Công ty than Mạo Khê 11/1/1999 19 12 2 Xí nghiệp than Suôi Lại 19/12/2002 7 3 Xí nghiệp than 909 19/12/2002 6 4 Công ty than Thông Nhât 6/3/2006 8 5 Công ty than Khe Chàm 8/12/2008 11 6 Công ty 86 2/7/2012 4 7 Hà Ráng - Hạ Long 3/4/2016 6 6
BÀI 2 PHÒNG NGỪA CÁC HIỂM HỌA VỀ KHÍ MÊTAN TRONG KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 2.1. Nguồn gốc và các dạng tồn tại của khí mêtan trong vỉa Quá trình hình thành than là sự phân hủy và biên chất các loại thực vật tạo ra một số lượng khí lớn. Mỗi tấn than Antraxil và than Bitum tạo ra xấp xỉ 340 m3 và 765 m3 khí Mêtan. Khối lượng khí được tạo ra từ quá trình than hóa tăng lên theo tuôi than, phẩn lớn lượng khí này được thoát ra ngoài không khí trong quá trình biến chât của vật chât phân hủy. Lượng khí giũ’ lại trong than thay đổi từ nhỏ đến rất lớn 25 m3 /tấn, thông thường lượng khí này lăng theo tuổi than và độ sâu vỉa than. Khi tạo thành than, khí C02 chiếm thê tích lớn so với khí CH4. Tuy nhiên, do ảnh của nước ngâm, khí C02 đã hòa lan với nước trong quá trình chon vùi dưỡi long đất nên khí Meetan là thành chính của phần khí trong than chiêm từ 80 95% thê tíchề Ngoài ra, còn có các loại khí như Êtan, Prôpan, Butan, Carbon điôxit, Hyđrô, Ôxy, Nitơ, ....v.v. Khi chưa có sự thay đổi về áp suất trong vỉa than, khí Meetan chủ yếu tồn tại ở dạng hâp thụ trên bê mặt hạt than và khá ốn định. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác than, áp suất khí trong vỉa bị biến động do dịch động, biến dạng của đất đá, khí Mêtan sẽ tách ra khỏi bề mặt của hạt than và thoát ra không gian đường lò qua hệ thống khe nút tự nhiên và các nứt nỏ do hoạt động khai thác mò gây ra. Dòng khí này được khuếch tán qua các khe nút giữa các hạt than nhỏ, sau đó di chuyến về phía các khe nút chính gồm khe nứt chính và khe nứt phụ hình 2ếl. Khả năng thoát khí hay tôc độ thoát khí Mêtan trong vỉa than phụ thuộc váo câu trúc khe nứt, độ nứt nẻ và độ thẩm thấu khí của than. Hình 2.1: cấu trúc các khe nứt và lỗ rỗng trong khối than 1
Các dạng tàng trữ của khí mêtan trong vỉa than: Dạng tự do: Khi áp suất khí trong vỉa cao thì khí mê tan sẽ lấp đầy vào các khe nứt có trong vỉa, áp suất khí có thể đạt đến hàng chục at. Dạng không tự do (dạng liên kết): Trạng thái dính vào bê mặt vật răn, phân tử CH4 bám trên bề mặt của than, - đất đá dưới tác dụng của lực liên kết phân tử, đây là dạng tàng trữ chủ yếu. Trạng thái bị hâp thụ vào vật răn. Trạng thái liên kết hoá học giữa các phân tử khí và các phân tử vật rắn. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tàng trữ CH4 trong vỉa than Độ biến chất của than: Khi độ biến chất của than càng lớn thì lượng mêtan tạo thành trong than càng lớn và khả năng chứa khí mê tan của vỉa cũng tăng. Chiều sâu khai thác: Khi khai thác càng xuống sâu thì sự tàng trữ khí mê tan càng tăng. Cấu trúc địa chất của khu vực: Phụ thuộc vào các kẽ nứt, đứt gãy. 2.2. Độ chứa khí của vỉa than và cách xác định Mức độ nguy hiếm về khí mê tan có ảnh hưởng rất lớn đối với công tác khai thác than hầm lò và trong nhiêu tnrờng hợp có ảnh hưởng mang tính quyết định đến việc lựa chọn mô hình khai thác mỏ, mô hình hệ thông thông gió, chọn quạt, . phương pháp mở vỉa chuấn bị. Chính vì vậy, việc đánh giá mức độ nguy hiếm về khí mê tan đối với mỗi vùng khoáng sàng hay từng mỏ than hầm lò có ý nghĩa rất to lớn, nó giúp cho những người làm công tác mỏ đưa ra các biện pháp, giải pháp ngăn ngừa hiểm hoạ cháy nổ cũng như áp dụng các trang thiết bị, phương pháp khai thác phù hợp với mức độ nguy hiểm về khí mê tan đã được đánh giáẽ Việc dự báo độ thoát khí mê tan vào khu vực khai thác hoặc cho một mức khai thác mới trong tương lai thực sự là công việc quan trọng, nó ảnh hưởng đến việc quyết định lựa chọn phương pháp thông gió, phương pháp chuẩn bị và khai thác, nhiều khi có ảnh hưởng mang tính quyết định toàn mỏ. Đe tính toán dự báo độ thoát khí cần thiết phải tính toán dự báo độ chứa khí ở các mức sâu hơn. Dưới đây nêu các phương pháp tính toán dự báo độ chứa khí và độ thoát khí thường hay sử dụng: 2.2.Phương pháp tính toán dự báo độ chứa khí tự nhiên Theo các nhà khoa học thuộc mỏ thử nghiệm Barbara thuộc Viện Mỏ Trung ương Ba Lan (GIG) độ chứa khí tự nhiên khi xuống sâu có thể dự báo bằng phương pháp nội suy. Trên cơ sở hạ tầng các thông số độ chứa khí tự nhiên đã được xác định ở các mức trên trong từng vỉa và căn cứ vào xu hướng thay đổi độ chứa khí tự nhiên theo chiều sâu có thể dự báo độ chứa khí tự nhiên ở các mức sâu hơn. 2.2.2. Phương pháp tính toán dự báo độ thoát khí mê tan vào đường lò Trên thế giới hiện nay có các phương pháp dự báo độ thoát khí mê tan được thông dụng bao gồm: Phương pháp tại các nước Tây Âu theo: Shulza, Wintera, Stuffkena và Pattei Skyego. Phương pháp thống kê của Liên Xô (cũ). 8
Phương pháp của Viện Skoczynski (CHLB Nga) Phương pháp dựa vào bản đồ đồng đẳng độ chứa khí tự nhiên. Phương pháp dự báo độ thoát khí vào lò chợ của mỏ thử nghiệm Barbara (Ba Lan). Dưới đây là mô tả sơ bộ phương pháp thông dụng nhất đang được sử dụng đó là phương pháp theo mỏ thực nghiệm Barbara (Ba Lan). Điểm mấu chốt của phương pháp là xác định nguồn gốc xuất khí CH 4 vào đường lò khai thác. Khí CH4 được xuất ra từ than mới khấu, từ mặt gương lò chợ, từ các lò chuẩn bị (lò chân và lò đầu) và từ các vỉa lân cận. IC = (K, + K2 + K3 + ICO Trong đó: K - X Lượng khí CH4 thoát ra, (m3 /phút); K| - Lượng khí CH4 thoát ra từ than mới khấu, (nrVphút); K2 - Lượng khí CH4 xuất ra từ bề mặt lộ gương lò chợ, (m3 /phút); K3 - Lượng khí CRị xuất ra từ đường lò chuẩn bị, (m3 /phút); K4 - Lượng khí CH4 xuất ra từ các vỉa lân cận, (m3 /phút). Lượng khí CH4 thoát ra từ than mới khấu đuợc tính bằng công thức: Trong đó: PE - Tiến độ lò chợ, (m/ngày-đêm), 1 - Chiêu dài lò chợ, (m); mw - Chiều dày than khai thác, (m); y - Trọng lượng thế tích của than, (tấn/m3); Wo, Wk - Độ chứa khí của than tại gương và độ chứa khí còn lại, (m3 /T). Trong công thức lấy giá trị 0,8 Wo. Khí CH4 thoát ra từ bề mặt lộ gương: WE2 = (mwlgp) Trong đó: gp - Cường độ xuất khí từ bề mặt lộ gương, (m3 /m2 .phút) Giá trị của hệ sổ cường độ xuất khí xác định theo đô thị riêng. Khí CH4 thoát ra từ các đường lò chuẩn bị (K3) trong trường hợp khai thác khấu đuổi cần được tính dựa vào phương pháp tính toán dự báo độ thoát khí CH4 vào các đường hầm lò đào trong thanệ Đối với hệ thống khai thác khấu giật, đại lượng K3 rất nhỏ bởi vì: không có khí mê tan xuất ra từ than được khấu tại gương lò chuẩn bị, không có khí mêtan xuất ra bề mặt gương lò chuân bị; lượng khí mê tan xuât ra từ thành đường lò chuẩn bị sẽ rất nhỏ do đường lò đã được đào xong trong thời gian khá lâu. Do đó, có thể bỏ qua đại lượng này đối với phương pháp khấu giật. Lượng khí CH4 xuất ra từ các vỉa lân cận chiếm một tỉ trọng khá lớn trong tổng lượng khí CH4 thoát ra vào đường lò khai thác (lò chợ). Đại lượng này tỷ lệ thuận với bề mặt lộ trần (tức là tích số của chiều dài lò chợ và tiến độ lò chợ) với độ chứa khí của vỉa, chiều dày vỉa và tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ vỉa lân cận đó đến vỉa đang khai thác. Ngoài ra, còn phụ thuộc vào phương pháp điều khiển đá vách.
Khái niệm “khoảng cách biếu kiến” được hiểu là hiệu số của khoảng cách thực tế chia cho chiều cao khấu của lò chợ đang khai thác Đối với hệ thống khai thác bằng phá hoả toàn phần, lấy toàn bộ chiều cao khấu; đối với hệ thống khai thác bằng chèn lò, lấy giá trị dịch động vách thực tế. Thực tế khi khai thác bằng chèn lò thuỷ lực cát, lấy giá trị 20% chiều cao khấu, chèn lò khô lấy giá trị 35 - 40% chiều cao khấu. Khí mê tan là khí vô cùng nguy hiểm đối với ngành khai thác than hầm lò. Khí mê tan luôn luôn thoát ra đường lò với nhiều hình thức khác nhau và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố phức tạp, do đó cần thiết phải nghiên cứu độ thoát khí mê tan, dự báo độ thoát khí mê tan và có nhận thức đúng đăn hơn vê sự nguy hiểm, cách phòng chống cháy, nố khí mê tan trong công tác mỏ. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phương pháp nghiên cứu độ thoát khí và dự báo độ thoát khí mê tan vào Irong đường lò của các nước như Nga, Ba Lan, các nước Tây Âu, Nhật... Tuy nhiên để có thể áp dụng một cách hiệu quả các phương pháp này vào ngành mỏ Việt Nam chúng ta cần phải xem xét một cách tỉ mỉ. Qua nghiên cứu cho thây việc áp dụng phương pháp dự báo độ thoát khí mê tan vào trong đường lò của Ba Lan là phù hợp hơn với mỏ hầm lò Việt Nam. Thời gian qua Trung tâm An toàn Mỏ - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã áp dụng phương pháp này cho hâu hêt các mỏ hâm lò trong Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam, phục vụ công tác phân loại mỏ và là cơ sở để có giải pháp, biện pháp phòng chống cháy nô khí mê tan, đảm bảo sản xuât “An toàn - Tăng trưởng - Hiệu quả”. 2.3. Phòng ngừa hiểm họa cháy nổ khí inctan Hiện tượng nô khí mêtan: Nô khí mêtan là một hiện tượng nổ lặp nghĩa là nổ đi nô lại nhiều lần tại một vị trí, hiện tượng nổ này chỉ ngừng nồ khi điều kiện gây nổ không còn nữa Ề Điểu kiện gây no của khí mêtan: Điều kiện để xảy ra một vụ cháy nổ khí mê tan khi hội tụ đồng thời 3 yếu tố: Hàm lượng lượng khí mê tan trong khoảng 5 ~ 15%; Khí ôxy; Nguồn lửa. * Hàm lượng khí mêtan Khi hàm lượng khí mêtan trong không khí khoảng 5 15% với áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn, khi có nguồn lửa thì hỗn hợp mê tan không khí có thể nổ và nổ mạnh nhất trong khoảng 7,5 11%. Khi hàm lượng mêtan nhỏ hơn 5% và lớn hơn 15% ở điều kiện bình thường thì không nổ mà chỉ có thể cháy, quá trình cháy liên tục nếu vẫn có đủ ôxy và nó chỉ tắt khi không có nguồn lửa. 10
Bảng 2.1: Giới hạn nổ dưới và trên của một sổ khí nổ trong không khí ở điều kiện bìnlĩ thường, theo phần trăm thể tích Khí nổ Giới hạn nô (%) Dưới Trên Mêtan 5,0 15,0 Oxyt cácbon 12,5 75,0 Etan 3,2 12,5 Hiđrô 4,0 74,0
* Nồng độ ôxi tronịỊ không khí Nếu trong không khí mỏ không có ôxi hoặc nồng độ ôxi quá thấp thì mêtan không thể nổ được. Khí mêtan chỉ ngừng nổ khi nồng độ ôxi trong không khí nhỏ hơn 12 %. Ị * Nguyên nhân phát sinh nguồn lửa trong hâm lò Nguyên nhân phát sinh nguồn lửa trong hầm lò do nhiều yếu tố như sau: Con người mang vậl dụng phát sinh lửa vào lò (diêm, bật lửa); Sử dụng thuốc no không an toàn; Sử dụng thiết bị điện không đảm báo tính năng phòng nổ; Sử dụng các vật liệu phi kim loại không có khả năng chông tĩnh điện; Va đập cơ học của các dụng cụ làm bằng kim loại, do ma sát, hàn cắt điện trong lò; Cháy nội sinh, ngoại sinh. * Hâu quả của một vu cháy/nô khí mê tan như sau: Vụ cháy/nổ khí mê tan sính ra ngọn lửa với tốc độ cháy là 660 (m/s); Nhiệt độ không khí trong đường lò có thể lên tới 1850°c (khu vực kín là 2650°C); Tạo ra sóng nổ với áp suất rất lớn 8 (KG/cm2); Nổ khí mê tan có tính chất dây truyền, sau vụ nổ khí mê tan gây ra áp suất và nhiệt độ rất cao có thế cỉẫn đến một vụ no bụi than; Sản phẩm của phản ứng cháy/nổ khí mê tan trong hầm lò là khí độc co (CO: Là loại khí cực độc có thế gây chết người với nồng độ chỉ khoảng 0,1% co trong không khí cũng có thể là nguy hiếm đến tính mạng). d) Các biện pháp phòng chống cháy nố khí mêtan Các biện pháp phòng chống cháy nổ khí mê tan như sau: Triệt tiêu nguồn lửa phát sinh trong mỏ hầm lò do yếu tố chủ quan của con người (kiểm soát, phòng ngừa cán bộ, công nhân viên mang các vật dụng phát sinh nguồn lửa vào mỏ hầm lò); Bố trí người thường xuyên đi kiếm tra, đo khí tại các gương lò cục bộ và lò chợ; Lập các biện pháp, quy định về phòng ngừa, đảm bảo an toàn cháy nổ khí trong khai thác than hầm lò; Kiếm soát hàm lượng khí mê tan thoát vào bầu không khí mỏ hầm lò trong giới hạn cho phép bằng một số biện pháp cơ bản gồm: Thông gió mỏ hầm lò; Sử dụng hệ thống quan trăc khí mỏ tập trung; Sử dụng những thiêt bị điện đã được kiểm định tính năng phòng no. Ngoài ra, công tác tuyên truyền, vận động và học tập nâng cao ý thức của cán bộ, công nhân viên mang yếu tố quyết định việc phòng ngừa cháy nổ khí mê tan trong mỏ hầm lò. 2.4. Phòng ngừa hiểm họa phụt khí và than 3.3.3. Phòng chống sự co nồ bụi than a) Khái niệm 12
Bụi mỏ là tập hợp các hạt khoáng vật phân tán, mịn, tham gia vào bầu không khí mỏ trong quá trình tiến hành các công tác và có khả năng tồn tại trong trạng thái lơ lửng trong một thời gian tương đối dài. b) Nồng độ bụi trong mổ và cách xác định * Phân loại không khí theo nồng độ bụi. Không khí ít bụi: K < 1 (mg/m3). Không khí hơi bụi: K = 1 -M,5 (mg/m3). Không khí bụi: K. = 5 -MO (mg/m3). Không khí rất bụi: K = 10-^20 (mg/m3). Không khí cực kỳ bụi: K < 100 (mg/m3). K - Là trọng lượng bụi tính bằng mg trong l m3 không khí (mg/m3) c) Cơ chế hình thành nổ bụi than, giới hạn và nguyên nhân nổ bụi * Cơ chê hình thành cháy, nồ bụi than Có ba điều kiện cần thiết phải diễn ra đông thời gây ra một vụ cháy bụi than đó là: Bụi than; Nguồn nhiệt (lửa); Ồxy. Những điều kiện trên hình thành ba đỉnh của tam giác cháy bụi than. Băng cách loại bỏ bất kỳ một trong các điều kiện này, một vụ cháy bụi than sẽ không thể xảy ra. Nguốu nhiệt, tia lửa liệu Ò\-Ỵ Hình 2.3: Tam giác chảy Mặt khác, với một vụ nố bụi than xảy ra có 5 điều kiện cẩn thiết phải diễn ra đồng thời bao gồm: Nguồn nhiêu liệu bụi than; Nguồn nhiệt (lửa); Hàm lượng ôxy; Nồng độ bụi than lơ lửng; Khoảng không gian giới hạn. Năm điều kiện trên được gọi là ngũ giác nổ bụi than. Cũng giống như tam giác cháy bụi than, loại bỏ bất kỳ một trong các điều kiện trên sẽ ngăn chặn một vụ nổ bụi than. 13
Nguồu nhiệt, tia lừa Kinh 2.4: Ngũ giác nỗ bụi than * Giới hạn và nguyên nhân cháy, nô bụi than Hiện tượng cháy, nổ bụi than là phản ứng cháy liên tiếp của bụi than trong không khí, tuy nhiên, không phải bụi than là nguyên nhân gây ra cháy, nổ. Loại bụi than tạo ra hiện tượng cháy, nổ được gọi là bụi than cháy, nổ. Cháy, nổ bụi than là sự kết hợp cứa nhiều yếu tố, tính chất của than như chất bốc, độ ẩm, hàm lượng tro, cỡ hạt và mức độ của nguồn lửa. Sự kết hợp của các yếu tố nêu trên làm cho việc định nghĩa tính chất cháy, nố của bụi than trở nên phức tạp. Tuy nhiên, một cách phân loại chung về tính chất cháy, nổ của bụi than được nhiều nước đưa ra là dựa trên thành phần chất bốc như trong bảng 2 .2 . Bảng 2.2: Phăn loại tính nổ của bụi than tại một số nước TT Quốc gia Hàm lượng chất bốc, (%) 1 Nhật Bản > 11 2 Mỹ > 10 3 Anh > 15 4 Pháp > 14 hoặc > 16 5 Đức > 14 Việc phân loại thay đối theo từng nước từ 10 -ỉ- 16 % hàm lượng chất bốc trong than. Các phân loại này dựa trên điều kiện thử nghiệm nổ bụi than như: mức độ nguồn lửa, cỡ hạt và các yếu tố khác. Mối quan hệ và vai trò của các yếu tố trong điều kiện thử nghiệm nổ bụi than thể hiện như trong hình 4.5. 14
Hình 2.5.Ễ Mô hình mô tả CO' chế nổ bụi than d) Mối quan hệ giữa bụi than và khí mê tan trong việc hình thành nguy cơ cháy nổ * Nồng độ bụi Giới hạn nổ dưới của bụi than là: 16 + 50 (g/m3). Giới hạn nồ trên là: 1700 -ỉ- 2500 (g/m3)ệ Giới hạn nồ mạnh nhất: 300 -ỉ- 600 (g/m3). Cũng giống như mê tan, bụi than không chỉ gây nổ ở nồng độ nhất định mà nổ trong một giới hạn lớn trong khoảng 2000 -ỉ- 3000 (g/m3). * Sự có mặt của mê tan Sự có mặt của mê tan làm tăng tính nổ của bụi than, cụ thể là giảm giới hạn nồ dưới của bụi. Ví dụ, giới hạn nổ dưới của bụi than là 40 (g/m3), nếu hỗn hợp với 2% khí mê tan thì giới hạn này sẽ giảm xuống là 40 - 2 X 12=16 (g/m3). Khi nồng độ khí mê tan là 2,5% thì giới hạn nổ dưới là 3 -T- 5 (g/m3). e) Các biện pháp phòng ngừa cháy, nổ bụi than trong mỏ hầm lò Từ thực tế và các phân tích nêu trên cho thấy, để xảy ra cháy, nổ bụi than trong mỏ hàm lò phải hội tụ 5 yếu tố chính gồm: Có tích tụ bụi than trong các đường lò; Bụi than lắng đọng bị tung lên tạo thành mây bụi, nồng độ bụi phù họp; Khoảng không gian giới hạn; Khí ôxy; Nguồn lửa với năng lượng đủ để đánh lửa. Trong trường hợp xảy ra cháy bụi than khi hội tụ đủ 3 điều kiện (1), (4) và (5), do đó, cần phải loại bỏ một trong các yếu tố trên đế không xảy ra cháy bụi than. Trong trường hợp xảy ra nổ bụi than nếu hội tụ đủ 5 yếu tố nêu trên. Vì vậy, căn cứ trên các yếu tố cần thiết để hình thành nguy cơ cháy, nổ bụi than, các biện pháp phòng ngừa cần được thực hiện gồm: Ngăn ngừa phát sinh bụi than; Làm sạch lượng bụi sinh ra; Làm mất tính nồ của bụi than; Loại bỏ nguồn đánh lửa. * Các biện pháp ngăn ngừa và làm sạch bụi than gôm: Bơm nước vào vỉa than; Phun sương tại các máy khấu và điểm chât tải; Sử dụng máy khoan thoát phoi bằng nước; 15
Nạp thuốc phân đoạn nước; Nổ mìn có phun nước. * Ngăn ngừa nô khí và các nguồn đánh lửa: Một trong những điểm quan trọng để phòng ngừa cháy nổ bụi than là phòng ngừa no khí vì đây là nguyên nhân dẫn đến cả hai yếu tố quan trọng đế cháy nổ bụi than là cung cấp nguồn đánh lửa và yếu tố làm tung bụi than tích tụ tạo đám mây bụi. * Sử dụng bụi đá: Dựa trên các kết quả nghiên cứu và kết quả cho thấy vai trò của bụi đá trong việc phòng ngừa nô bụi than. Theo kinh nghiệm của Nhật Bản được quy định trong thông báo số 738 (10/12/1964) của Bộ Công thương Nhật Bản với bụi đá: Bụi đá sử dụng ngăn ngừa cháy nả bụi than trong mỏ hầm lò phải có 45% số lượng hạt có kích cỡ vượt qua cỡ 74 ịim. Tùy theo hàm lượng khí cháy nổ có thế áp dụng cách tính hàm lượng bụi đá. BÀI 3 PHÒNG NGỪA CÁC HIỂM HỌA VÈ CHÁY MỎ TRONG KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 3.1. Khái quát chung Cháy mỏ là hiện tượng cháy xảy ra trong mỏ, là một hiện tượng vô cùng nguy hiếm trong khai thác than hầm lò. Sản phẩm cháy sẽ sản sinh ra nhiều loại khí độc đi theo luồng gió gây chết người, đặc biệt là khí co. Ngoài ra, nó còn có thể là nguồn lửa gây ra cháy nổ khí Mê tan và bụi than. Phòng ngừa cháy mỏ là vấn đề được quan tâm rất lớn trong công tác khai thác than hầm lò. Khi sự cố cháy xảy ra có thể phải đóng cửa mỏ, thiệt hại không nhỏ về mặt kinh tế, xã hội và quan trọng nhất là gây mất an toàn trong khai thác than. Điều kiện để sự cháy xảy ra gồm: Khí ô xi. Nhiên liệu cháy. Nguồn gây cháy (lửa). Tùy theo nguyên nhân phát sinh cháy mỏ, có thể phân thành hai nhóm là: cháy ngoại sinh do tác dụng của xung lượng nhiệt bên ngoài và cháy nội sinh do than có tính tự cháy. 3.2. Nguyên nhân cháy mỏ Cháy mỏ là một hiểm họa khủng khiếp không kém gì nồ khí mê tan hay bục nước trong hầm lò. Cháy mỏ có thể xảy ra từ nguyên nhân nội sinh hoặc ngoại sinhề Nội sinh tức là không cần có lửa mà nó vẫn tự cháy được, còn ngoại sinh thì phải có nguồn lửa mới gây được cháy trong điều kiện thích hợp. 3.2.1. Nguyên nhân chảy ngoại sình gồm: Hư hỏng thiết bị điện (nhất là ngắn mạch). Vi phạm các quy tắc về hàn cắt trong lò. Nổ mìn. Nổ khí, nổ bụi. Ma sát giữa các bộ phận của máy móc, thiết bị và các cơ cấu như bánh răng, cáp trục, ...v.vẳ Sử dụng lửa thiếu thận trọng. 16
3.2.2. Nguyên nhân cháy nội sinh: Than tự cháy là kết quả của quá trình ôxi hóa tự tỏa nhiệt của than, sau khi than tiếp xúc với ôxi, các phân tử hoạt tính cao tại bề mặt của than sẽ xảy ra phản ứng vật lý với phân tử ôxi, phản ứng hấp thụ hóa học và sau đó xảy ra phản ứng hóa học, phản ứng tỏa nhiệt. Phản úng giữa ôxi và than sẽ tiêu hao các phân tử hoạt tính cao tại bề mặt than, phá vờ sự cân bằng của phân tử tại bề mặt than, sinh ra các phân tử hoạt tính cao mới, lúc này, nếu còn các phân tử ôxi, phản ứng ôxi hóa tiếp tục được xảy ra, nhiệt độ sẽ không ngừng tăng cao, khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ giới hạn sẽ tăng nhanh, sau khi đạt đến nhiệt độ điếm cháy, than sẽ tự cháy. Nguyên lý phát sinh sự cố than tự cháy phải có đủ 4 yếu tố sau: (1) Than có tính tự cháy. (2) Có hàm lượng ôxi > 12% tồn tại trong luồng gió cung cấp cho khu vực có than. (3) Có sự ô xi hóa than. (4) Ba điều kiện trên phải đồng thời xảy ra tại 1 địa điếm và đồng thời tồn tại với thời gian đủ dài. 3.3. Phòng ngừa hiem họa cháy mỏ trong khai thác 3.3.1. Phòng ngừa cháy ngoại sinh Tránh dùng vật liệu dễ cháy ở gần các vị trí đế mô tơ, các trạm điện, giếng gió. Xây dựng nhà kho chứa riêng đế chứa vật liệu dễ cháy. Có mạng điện cố định và dễ dàng kiểm tra để phòng quá tải và ngắn mạch. Kiểm tra tất cả những nơi có ma sát nguy hiểm như nhà trục, puly, phanh, ế..v.v. Có biện pháp kiểm tra và nghiêm cấm người lao động đưa vật dụng, nguồn phát sinh lửa vào trong lòễ 3.3.2. Phòng ngừa dtáy nội sinh Tính tự cháy của than là nhân tố nội tại thể hiện mức độ khó dễ tự cháy, được quyết định bởi kết cấu hóa học và tính chất vật lý (cấu trúc hữu cơ và vô cơ). Đe xác định tính tự chảy và mức độ khó dễ ôxy hóa cháy than, nhất thiết phải nghiên cứu từ bản chất biến đổi hóa học, vật lý của than trong quá trình ôxy hoá. Có rất nhiều phương pháp xác định tính tự cháy của than, các nước trên thế giới đã sử dụng các phương pháp như: phương pháp King-Altman, phương pháp điểm bắt cháy, phương pháp điểm giao nhau nhiệt độ, phương pháp điểm giao nhau nhiệt lượng, phương pháp hấp phụ ôxy trạng thái động và trạng thái tĩnh, v.v. Các phương pháp trên không sử dụng đông thời và đêu có tính thích ứng riêng, nhung đều chỉ dùng một chỉ số đặc tính hấp phụ ôxy để làm chỉ số phân ỉoại tính tự cháy của than, vì vậy đều có tính hạn chê của nó. Tại Trung Quốc đã sử dụng chỉ số năng lượng hoạt hóa bắt cháy của than làm chỉ số xác định tính tự cháy của than. Đây là một phương pháp khoa học mới dùng để xác định đặc tính tự cháy của thanệ 3.3.2.1. Năng lượng hoạt hoá bắt cháy của than. 17
Căn cứ lí thuyêt vận động phân tử chât khí, điều kiện cần và đủ để phát sinh phản ứng giữa ôxy và than là phản úng tương tác giữa hai phân tử, nhưng khi vị trí phát sinh liên kêt giữa các phân tử không đủ năng lượng xúc tác hoặc xảy ra phản ứng, làm cho kêt quả va chạm giũa các phân tử không xảy ra phản úng hoá học. Thực nghiệm chứng minh chỉ có một sô phân tứ có năng lượng cao hơn phân tử phô thông va chạm trên một phương vị nhất định mới có khả năng gây ra phản ứng hoá học. Trong động lực học phản ứng hoá học, năng lượng phát sinh sẽ làm tăng hiệu quả và khả năng liên kết các phân tử trong phản ứng hoá học. Lý thuyết tương tác về năng lượng hoạt hoá dùng để chỉ hoạt hoá của các phân tử có năng lượng thấp nhấtế Năng lượng hoạt hoá của phản ứng hoá học càng lớn, chứng tỏ năng lượng hoạt hoá yêu cầu cho phân tử ở trạng thái phổ thông càng lớn; năng lượng hoạt hoá càng nhỏ thì năng lượng hoạt hoá yêu cầu cho phân tử ở trạng thái phổ thông càng nhỏ. Đối với phản ứng hoá học, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng chủ yếu là nồng độ, nhiệt độ, chất xúc tác cũng như các nhân tố khác, vềv. Nguyên lý làm tăng tốc độ phản ứng hoá học của chất xúc tác là giảm năng lượng hoạt hoá. Phản ứng ôxy hoá cháy than là phản ứng nhiều cấp và phức tạp, ý nghĩa vật lý của năng lượng hoạt hoá không làm cơ sở nên tảng cho năng lượng luỹ kế của phản ứng cơ bản cho nên được gọi là bê ngoài năng lượng hoạt hoá. Thực nghiệm chứng tỏ khi gia nhiệt than trong điều kiện nhiệt độ tăng dần, quá trình ôxy hoá cháy than phân chia thành quá trình mất nước, quá trình mất trọng lượng, quá trình ôxy hoá tăng trọng ỉượng và đốt cháy mất trọng lượng. Sau khi quá trình mất nước kết thúc là giai đoạn tăng trọng lượng, đây là kết quả của phản ứng hoá học, hấp phụ vật lý phức tạp, quá trình hấp phụ ô xy của than xảy ra sau quá trình mất nước, nhiệt độ tại điểm cong từ quá trình tăng trọng lượng chuyển sang quá trình mất trọng lượng là nhiệt độ bắt cháy của than,năng lượng hoạt hoá của giai đoạn tăng trọng lượng là năng lượng hoạt hoá bắt cháy. Năng lượng hoạt hoá bắt cháy có thể là bản chất của phản ứng than tự cháy. 3.3.2.2. Quá trình thí nghiệm Thí nghiệm phân tích quá trình gia nhiệt của mẫu than được tiến hành trên máy phân tích gia nhiệt tống hợp TG/DAT loại STA449C. Các điều kiện thí nghiệm gồm: mẫu than thí nghiệm được nghiền nhỏ có cỡ hạt nhỏ hơn 270 (|!m), tốc độ gia tăng nhiệt độ là 5°C min’1, lun tốc khí 02, N2 đưa vào phản ứng lần lượt là 10 (ml/min) và 40 (ml/min), mô hình ôxy hoá tự cháy trong không khí. Khối lượng mẫu thí nghiệm là 13+- 14 mg, phạm vi nhiệt độ phản ứng từ 25 800°c, kết quả thu được đồ thị TG-DSC và đồ thị gia tăng nhiệt tương ứng từ hình 3.1 đến hình 3.5. 18
DSC /(mW/mg) TG/% mlKMT. IM í 'C nJe;'.iori 372 í 'C 100 • \ ,ế 400 500 Temperalure/'C Hình 3.1 ể Biểu đồ gia nhiệt ôxy hoá mẫu than lò chợ vỉa 24 Hồng Thái DSC /(nMí/mg) TG fk 100 Inledion 619 4 ‘C Hình 3.2. Biểu đồ gia nhiệt ôxy hoá mẫu than lò dọc vỉa mức -35 phân vỉa 6B Thống Nhất 19
TG/% 100 ; Hình 3.3. Biểu đồ gia nhiệt ôxy hoá mẫu than lò dọc vỉa mức -40 vỉa 7 Quang Hanh t osc /(mVWmg) lit-ỉsiKNt 197 7 ‘C hidecllcn. 4s *c ị toa* 0 2 400 500 Tempítalurt rc Ị Hỉ Hình 3.4. Biểu đồ gia nhiệt ôxy hoá mẫu than lò dọc vỉa mức +125 vỉa 5 khu Than Thùng Hình 4.4. Quá trình ôxy hoả than trong điều kiện gia nhiệt mẫu than lò chợ vỉa 24 Hồng Thái 20