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

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình" Nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu (Dùng cho trình độ cao học)" cung cấp cho học viên những nội dung về: đặc điểm không khí mỏ hầm lò khi khai thác xuống sâu; thiết kế thông gió đào lò khi khai thác xuống sâu; thiết kế thông gió chung cho toàn mỏ;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

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

78 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS. Hoàng Hùng Thắng TS. Lê Văn Thao TS. Phạm Đức Thang GIÁO TRÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ THÔNG GIÓ THOÁT NƯỚC KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU D NG CHO TR NH Đ CAO HỌC QUẢNG NINH – 2020 1
Trang phụ bìa 2
LỜI NÓI ĐẦU Thông gió là biện pháp cơ bản nhất để cải thiện điều kiện làm việc và nâng cao mức độ an toàn cho ngƣời làm việc trong hầm lò. Thông gió còn là một giải pháp hữu hiệu nhất để phòng chống cháy nổ khí Metan và bụi than. Công việc chủ yếu của thông gió mỏ là duy trì trong các đƣờng lò đang hoạt động một bầu không khí sạch, mang lại cho ngƣời làm việc cảm giác nhiệt thích hợp với điều kiện lao động và đƣa hàm lƣợng khí độc, khí cháy nổ, bụi mỏ đến mức độ an toàn theo quy định. Giáo trình nâng cao hiệu quả thông gió thoát nƣớckhi khai thác xuống sâu đƣợc biên soạn theo Đề cƣơng môn học của Ngành Khai thác mỏ dành cho học viên cao học đƣợc Khoa Mỏ và Công trình, Trƣờng Đại học Công nghiệp Quảng Ninh thông qua .Trong quá trình biên soạn, giáo trình đã tham khảo và chọn lọc tài liệu từ các sách và giáo trình trong lĩnh vực thông gió thoát nƣớcchuyên ngành khai thác mỏ của các trƣờng Đại học, Viện nghiên cứu khoa học, cũng nhƣ hệ thống Quy chuẩn, Quy phạm trong và ngoài nƣớc nhằm giúp các học viên nâng cao đƣợc lý luận và thực tiễn về lĩnh vực này. Giáo trình nâng cao hiệu quả thông gió thoát nƣớckhi khai thác xuống sâu không chỉ là tài liệu dành cho học viên cao học ngành khai thác mỏ, mà còn có thể sử dụng để tham khảo cho các kỹ sƣ ngành khác nhƣ: Xây dựng mỏ, Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Kinh tế mỏ,… và cho các nhà khoa học, quản lý mỏ. 3
Chương 1 ĐẶC ĐIỂM KHÔNG KHÍ MỎ HẦM LÒ KHI KHAI THÁC XUỐNG SÂU 1.1. Khái quát chung về không khí mỏ 1.1.1. Khí trời Xung quanh trái đất có bầu khí quyển dày hàng trăm km thành phần của khí quyển là hỗn hợp của nhiều loại khí O2, N2, CO2, khí trơ; khí quyển có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự sống của sinh vật trên trái đất. Nó nhƣ tấm lá chắn để ngăn cách các tia bức xạ có hại của vũ trụ; Là môi trƣờng điều hoà nhiệt độ và nƣớc trên trái đất; Cung cấp Oxi cho quá trình sống của động vật. Khí trời là một hỗn hợp của nhiều chất khí kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định. Thành phần chủ yếu của nó chủ yếu là Nitơ, Oxi và một ít hơi nƣớc. Ngoài ra thành phần của khí trời còn có một lƣợng rất nhỏ các chất khí nhƣ cácboníc, các chất khí trơ: Argon, Neon, Kripton, Heli, Ozon, v.v... Không khí khi có chứa hơi nƣớc gọi là không khí ẩm, ngƣợc lại gọi là không khí khô. Thành phần hơi nƣớc trong không khí ẩm có tỷ lệ thay đổi trong một khoảng khá rộng từ 0 đến 3% theo trọng lƣợng tuỳ theo vùng địa lý và thời gian trong ngày, trong năm. Thành phần các chất khí trong không khí khô tính theo % đƣợc giới thiệu ở bảng 1.1. và hình 1.1. Hình 1.1. Thành phần của khí quyển 4
Bảng 1.1. Tỷ lệ % các chất khí trong không khí khô Ký hiệu hoá Tỷ lệ % theo Tên các chất khí học Thể tích Trọng lượng Nitơ N2 78,08 75,6 Oxi O2 20,95 23,1 Acgon Ar 0,9325 1,286 Cacbonic CO2 0,03 0,046 Neon Ne 0,0018 0,0012 Heli He 0,0005 0,00007 Kripton Kr 0,00011 0,0003 Xenon Xe 0,000008 0,00004 Ozon O3 1.10-6 - Radon Rn 6.10-8 - 1.1.2. Không khí mỏ. Không khí mỏ là hỗn hợp cơ học giữa khí trời và các loại khí độc, khí cháy nổ, bụi sinh ra trong quá trình khai thác mỏ. Về thực chất không khí mỏ là khí trời nhƣng khi đi vào mỏ bị thay đổi về thành phần và hàm lƣợng. - Sự thay đổi về thành phần: Do xuất hiện các loại khí độc, khí cháy, bụi mỏ và một số chất khí khác. - Sự thay đổi về hàm lƣợng: Hàm lƣợng O2 giảm; khí CO2,, khí độc, khí cháy tăng. Hay cũng có thể nói không khí mỏ là hỗn hợp các chất khí và hơi nƣớc chứa đầy các moong ở mỏ lộ thiên và chứa đầy các đƣờng lò ở mỏ hầm lò, đồng thời bao giờ cũng chứa một lƣợng bụi nhất định. Không khí mỏ lộ thiên chính là khí trời ở các mỏ lộ thiên, song thành phần của nó đã có hàng loạt sự thay đổi, cụ thể là thoát ra nhiều chất khí cháy và độc. Còn không khí ở mỏ hầm lò chính là khí trời từ mặt đất đi vào mỏ qua các đƣờng lò sẽ bị thay đổi hàng loạt các tính chất lý hoá. Nói chung hàm lƣợng O2 giảm đi, còn CO2 và N2 tăng lên, đồng thời có sự xuất hiện nhiều chất khí mới, lƣợng bụi cũng tăng lên. 5
Ở các mỏ hầm lò các chất khí mới thoát ra bao gồm: - Các khí độc: Các Oxit nitơ (NO, NO2, N2O3, N2O5 ), amôniac (NH3), Sunfuaro (SO2); Oxitcacbon (CO) và Sunfuahiđro (H2S), hơi Asen, thuỷ ngân, các aldehyde, akrolein, cianua hidro. - Các khí nổ: Oxitcacbon (CO), Sunfuahidro (H2S), Metan, Hidro (H2) và Cacbuahidro. - Các khí có tính phóng xạ: Radông ( Rn) và Thôrom (Th). Các luồng không khí trong mỏ đƣợc phân thành hai loại: - Luồng không khí sạch, khi thành phần của nó gần với thành phần khí trời. - Luồng không khí bẩn, khi thành phần của nó khác với thành phần khí trời. Luồng không khí bẩn có thể là: - Luồng không khí có hại, khi hàm lƣợng của N2 và CO2 tăng lên còn O2 giảm đi. - Luồng không khí độc, khi hàm lƣợng của các oxitcacbon (CO), sunfuahidro (H2S), các oxit nitơ, sunfuarơ, cacbonic, v.v.... tăng lên. - Luồng không khí cháy nổ, khí chứa nhiều các khí nổ khác nhau: CH4, C2H6, H2, CO, v.v.... - Luồng không khí chứa bụi. 1.1.2.1. Thành phần chủ yếu của không khí mỏ 1. Oxi (O2) Oxi chiếm 20,95% thể tích khí trời, là một chất khí không màu, không mùi và không vị, với trọng lƣợng phân tử là 32, trọng lƣợng riêng là 1,106g/cm3 (so với không khí ), Oxi hòa tan trong nƣớc kém (5% theo thể tích khi nhiệt độ 00C), duy trì sự cháy và sự thở. Oxi có nhiệt độ nóng chảy ở - 2190C, nhiệt độ sôi ở -1830C. Ở trạng thái tự do, Oxi có trong không khí, khí quyển và trong nƣớc tự nhiên. Oxi là một nguyên tố hoạt động mạnh, nó có khả năng kết hợp trực tiếp hoặc gián tiếp với tất cả các nguyên tố khác, trừ các khí hiếm, tạo nên hiện tƣợng oxi hóa. Các nguyên nhân làm giảm hàm lƣợng Oxi trong không khí mỏ bao gồm: - Quá trình Oxi hoá từ từ của than, gỗ, các chất hữu cơ và vô cơ, do cháy mỏ, nổ khí, nổ bụi; 6
- Sự thoát khí tự nhiên của CH4, CO2, N2, H2S, SO2, v.v…; - Quá trình nổ mìn, hoạt động của các động cơ đốt trong; - Sự hô hấp của con ngƣời và sinh vật; - Sự hoà tan Oxi trong nƣớc mỏ. Oxi rất cần thiết để duy trì hoạt động sống của con ngƣời, nếu hàm lƣợng O2  18% con ngƣời làm việc trong điều kiện thiếu Oxi. Khi hàm lƣợng O2 = 12% con ngƣời phải thở gấp. Khi hàm lƣợng O2 = 9% con ngƣời bị ngất và có thể chết. Nếu hàm lƣợng O2 = 1  3% con ngƣời bị chết ngay. Tiêu chuẩn quy định theo luật an toàn của nhiều nƣớc về hàm lƣợng Oxi trong không khí mỏ hầm lò từ 19 đến 20%. Ở Việt Nam theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01:2011/BCT thì hàm lƣợng Oxi trong không khí ở các đƣờng lò có và sẽ có ngƣời tối thiểu là 20% theo thể tích. 2. Nitơ (N2) Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích khí trời, là một chất khí không màu, không mùi và không vị, với trọng lƣợng phân tử là 28, trọng lƣợng riêng là 0,97g/cm3. Nhiệt độ sôi là -95,70C và nhiệt độ nóng chảy là -237,80C. Nitơ là một chất khí trơ về mặt hoá học và sinh lý học, không duy trì sự thở và sự cháy, đồng thời có tác dụng làm giảm tính nổ của Metan (ví dụ một hỗn hợp khí có 10% CH4 và 90%N2 thì không thể nổ). Những nguyên nhân chính làm tăng hàm lƣợng nitơ trong không khí mỏ là: - Sự phân huỷ các chất hữu cơ. - Sự phân huỷ các chất vô cơ (ví dụ khi nổ hoàn toàn 1 kg thuốc nổ Đinamit sẽ sinh ra 640 lít khí, trong đó có 135 lít N2). - Sự thoát khí ở trạng thái tự nhiên qua các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sàng. 3. Cacbonic (CO2) Là một khí không màu, không mùi, vị hơi chua, có tính axit yếu, với trọng lƣợng phân tử là 44 và trọng lƣợng riêng là 1,52g/cm3 (vì vậy thường tập trung ở nền lò). Là một khí hoà tan nhiều trong nƣớc, khí cacbonic không cháy và không duy trì sự cháy, có tác dụng kích thích niêm mạc của mắt, mũi và mồm, độc ở mức độ thấp. 7
Bảng 1.2. Tác dụng của CO2 đối với con ngƣời % CO2 (theo thể tích) Tác dụng sinh lý 0,5 Mức độ thở tăng lên một ít 2,0 Mức độ thở tăng lên tới 50% 3 Khó thở ngay cả khi nghỉ ngơi 5 Thở khó khăn hơn và yếu dần 10 Chỉ chịu đựng đƣợc sau một vài phút Những nguyên nhân làm tăng CO2 trong không khí mỏ bao gồm: - Các quá trình phân huỷ chất hữu cơ và vô cơ, sự Oxi hoá từ từ của than, sự phân huỷ của cácbonat; - Sự thoát khí CO2 tự nhiên từ các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sàng, từ nƣớc trong mỏ; - Những quá trình cháy nổ (cháy mỏ, nổ mìn, nổ khí và nổ bụi); - Sự hô hấp của con ngƣời và sinh vật; - Sự hoạt động của các động cơ đốt trong. Sự thoát khí CO2 từ đất đá và khoáng sàng, qua các khe nứt và lỗ hổng, có thể với cƣờng độ nhỏ hoặc cƣờng độ lớn (ví dụ nhƣ ở các mỏ Gard ở Pháp, Silezi ở Balan, trong một số mỏ muối ở Cộng hoà dân chủ Đức cũ). Ở một số mỏ than hầm lò trên thế giới đã xảy ra sự phụt khí cacbonic. Trên cơ sở lƣợng khí CO2 thoát ra tính cho 1 tấn than khai thác trong 24h (độ thoát khí cacbonic tƣơng đối) ngƣời ta đã phân các mỏ than ra theo các hạng sau: Loại I : Cho đến 5 m3CO2/tấn; Loại II : 5 – 10 m3CO2/tấn; Loại III : 10 – 15 m3/tấn; Siêu hạng > 15 m3 CO2/tấn. 1.1.2.2. Các loại khí độc, hại sinh ra trong quá trình khai thác mỏ hầm lò 1. Oxit cacbon (CO) Là chất khí không màu, không mùi vị, trọng lƣợng riêng là 0,97g/cm3, trọng lƣợng phân tử là 28, nhiệt độ sôi là - 1900C, nhiệt độ nóng chảy là - 2070C, hoà tan trong nƣớc. 8
Oxit cacbon là một chất khí cháy và nổ, hàm lƣợng oxit cacbon trong hỗn hợp không khí trong khoảng 12,5 – 75% sẽ tạo nên hỗn hợp nổ và nổ mạnh nhất khi hàm lƣợng là 30%. Nhiệt độ đốt cháy hỗn hợp nổ này là 630 – 8100C, với ngọn lửa màu xám xanh và phản ứng diễn ra nhƣ sau: 2CO + O2 = 2 CO2 (1.1) Oxit cacbon là một chất khí độc, tác dụng của nó đối với cơ thể biểu hiện ở việc hoá hợp với hemoglobin của máu, ngăn cản vai trò hoạt động sinh lý của máu trong việc vận chuyển Oxi từ phổi đến các mạch máu nhỏ của cơ thể. Mặt khác, thực tế ngƣời ta thấy rằng Hêmôglobin của máu hoá hợp vô cùng dễ dàng với CO và so với Oxi thì gấp 250 – 300 lần. Vì vậy khi hít thở không khí CO thì máu đáng lẽ đồng hoá O2, nhƣng lại thay bằng CO khi đó chính ra trong máu lƣu thông Oxit hemoglobin (Hb + O2 = HbO2) thì lại thay bằng Cacboxit hemoglobin (HbCO). Giữa oxit cacbon và hemoglobin đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình sau: Hb + CO = HbCO (1.2) Tình trạng đói O2 bắt đầu khi cơ thể hít thở phải CO và khi máu hoàn toàn bão hòa CO thì con ngƣời có thể chết. Phản ứng giữa O2, CO và Hb có thể biểu thị bởi phƣơng trình: HbO2 + CO  HbCO + O2 (1.3) Nghĩa là CO đẩy O2 ra khỏi oxit hemoglobin và ngƣợc lại, O2 thừa có thể đẩy CO khỏi hợp chất cacboxit hemoglobin. Các nguồn phát sinh CO ở trong không khí mỏ bao gồm: Cháy mỏ, nổ khí, nổ bụi; Nổ mìn, sự hoạt động của các động cơ đốt trong; Quá trình Oxi hoá từ từ của than; Đôi khi thoát ra từ khoáng sàng và đất đá bao quanh cùng với CH 4, CO2 và N2. Hàm lƣợng CO cho phép của một số nƣớc theo thể tích nhƣ sau: Việt Nam: 0,0017%. (Theo QCVN 01: 2011/BCT); Rumani, Balan: 0,002%; Nam Mỹ, Đức: 0,01%; Pháp: 0,05%. 9
2. Sunfua hidro (H2S) Là một chất khí không màu, mùi trứng thối, vị hơi ngọt, với trọng lƣợng phân tử là 34,09, trọng lƣợng riêng là 1,19g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -830C, còn nhệt độ sôi là -60,2 0C. H2S là chất khí dễ hoà tan trong nƣớc, là chất khí cháy và nổ. Hàm lƣợng H2S trong không khí từ 4,5% đến 45% sẽ tạo nên hỗn hợp nổ và nhiệt độ bốc cháy là 3700C. Sunfua hidro rất độc, tác dụng lên niêm mạc của mắt và hệ hô hấp. Các nguồn làm phát sinh H2S trong mỏ bao gồm: - Sự mục nát các chất hữu cơ, đặc biệt là gỗ ở các đƣờng lò cũ. - Sự phân huỷ perit và sunfua canxi, v.v… FeS2 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2S + S CaS + CO2 + H2S = CaCO3 + H2S. - Sự thoát khí tự nhiên từ các khe nứt nẻ của đất đá và khoáng sản, đặc biệt là ở mỏ muối, mỏ dầu, ở suối nƣớc khoáng. - Do cháy mỏ, nổ mìn. Hàm lƣợng tối đa cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam là 0,00070%, theo thể tích và 10mg/m3, theo trọng lƣợng. 3. Sunfuaro (SO2) Là chất khí không màu, mùi lƣu huỳnh cháy, vị chua, trọng lƣợng phân tử là 64,07, trọng lƣợng riêng là 2,22 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -72,70C và nhiệt độ sôi là- 100C. Là chất khí dễ hoà tan trong nƣớc, rất độc, ăn mòn mạnh màng niêm mạc của mắt và hệ hô hấp. Nhờ có mùi đặc biệt cho nên SO2 dễ phát hiện ngay cả khi hàm lƣợng của nó trong không khí mỏ chỉ bằng 0,0005%, theo thể tích. Các nguồn phát sinh SO2 trong bao gồm: - Cháy mỏ; - Nổ mìn, nhất là nổ mìn trong đá hoặc trong quặng có chứa S; - Sự thoát khí tự nhiên cùng với một số khí khác. Hàm lƣợng SO2 cho phép trong không khí mỏ, theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam là 0,00038%, theo thể tích và 10g/m3, theo trọng lƣợng. 10
4. Các Oxit nitơ Nitơ kết hợp với Oxi để tạo ra các Oxit sau: NO, N2O, NO2, N2O4, N2O3 và N2O5. Trong số các Oxit nitơ, NO2 và N2O4 là những Oxit thƣờng gặp trong không khí nổ. Đioxit nitơ (NO2) là chất khí có màu vàng, trọng lƣợng phân tử là 64,01, trọng lƣợng riêng là 1,59g/cm3, nhiệt độ sôi là -21,20C, nhiệt độ nóng chảy là -100C. TetraOxit nitơ (N2O4) có trọng lƣợng phân tử là 92,02, trọng lƣợng riêng là là 3,18g/cm3. Khi nhiệt độ tăng lên thì têtraxit nitơ chuyển thành Đioxit nitơ. Tất cả các Oxit nitơ đều rất độc (trừ N2O), chúng kích thích màng miêm mạc của mắt và các cơ quan hô hấp. Đặc biệt là khi hàm lƣợng của Oxit nitơ là 0,025% theo thể tích (0,5mg/lít) thì con ngƣời dễ dàng tử vong. Nguyên nhân chủ yếu phát sinh các ôxýt nitơ trong không khí mỏ là do nổ mìn. 5.Hidro (H2) Là một khí không màu, không mùi, không vị, về mặt sinh lý là một khí trơ, rất nhẹ, trọng lƣợng riêng là 0,09g/cm3, nhiệt độ sôi là -252,80C, nhiệt độ nóng chảy là -259,20C. Là một khí cháy và nổ khi hàm lƣợng của nó trong không khí là 4% ÷ 74% sẽ là hỗn hợp nổ, nhiệt độ bốc cháy của Hidro là 100 ÷ 2000C. Hyđrô thoát hiện ở các mỏ than nâu và than gầy, ở các mỏ muối kali. Nó có thể tìm thấy ở đất đá xung quanh đƣờng lò, cũng nhƣ ở trong than và thoát ra dƣới dạng xì, đôi khi thoát ra cùng với Metan, khí cacbonic, nitơ.v.v.. Ngoài ra Hidro thoát hiện trong không khí mỏ còn do việc nạp ác quy và nổ mìn. Hàm lƣợng H2 cho phép trong không khí mỏ là 0,5% theo thể tích. 6. Amoniac (NH3) Là một chất khí không màu, có mùi khai, trọng lƣợng phân tử là 17,03; trọng lƣợng riêng là 0,596g/cm3, nhiệt độ nóng chảy là -77,70C, nhiệt độ sôi là -33,30C. NH3 dễ hoà tan trong nƣớc, là khí độc, kích thích màng niêm mạc của mắt mũi, hệ thống hô hấp và da. Amoniac sinh ra trong mỏ là do nổ mìn. Hàm lƣợng cho phép trong không khí mỏ là 0,0025% theo thể tích hay 0,02g/lít. 7. Akrolein (CH2CHCOH) Là một chất khí không màu, trọng lƣợng riêng là 1,9g/m3, dễ hoà tan trong nƣớc. Là chất khí độc phân huỷ màng viêm mạc của hệ hô hấp, khi hít phải nồng độ 0,014% sẽ nguy hiểm đối với con ngƣời. 11
Nguyên nhân phát sinh ra Akrolein là do sự hoạt động của động cơ đốt trong ở điều kiện nhiệt độ cao. Hàm lƣợng tối đa cho phép trong không khí mỏ là 0,00008%. 8. Các Aldehid Các khí aldehiđ bao gồm: axetandehid (CH3COH), benzandehid (C6O5COH), fomandehid (HCOH), Cloral (CCl3COH), .v.v.. Phát sinh ra do hoạt động của các động cơ đốt trong. Tất cả các aldehid đều độc, phân huỷ màng miên mạc của hệ hô hấp. Nguy hiểm nhất trong số các aldehid là formandehid, với trọng lƣợng riêng là 1,04g/cm3, dễ hoà tan trong nƣớc. Hàm lƣợng tối đa cho phép trong không khí mỏ là 0,00037%. 9. Các hơi Asen (As), thuỷ ngân (Hg), Hidro xyanua (HCN) Là các khí độc, hiếm và sinh ra do nổ mìn khi khai thác quặng. 10. Axetylen (C2H2) Là một chất cháy nổ khi hỗn hợp với không khí. Nó sinh ra trong không khí mỏ là do nổ mìn. 11. Các khí phóng xạ Ở các mỏ khai thác quặng ngƣời ta có thể gặp các khí phóng xạ nhƣ Radon (Rn), Thoron (Th) và Actinon (An). Khi khai thác quặng uran, thƣờng thoát ra khí có tính phóng xạ là Radon. Khí Radon phát sinh do sự phân huỷ Uran và có chu kỳ bán rã là 3,8 ngày. Nó là một chất khí không màu, không mùi và không vị. Hàm lƣợng Radon tối đa cho phép bởi Hội đồng bảo hiểm quốc tế về chống phóng xạ ion, ở nơi làm việc liên tục 24 tiếng là 10-10curi/lít không khí. Cũng nhƣ Radon, Thorom thoát ra ở mỏ khai thác quặng, nó chính là sản phẩm phân huỷ của Thori và có chu kỳ bán rã là 54 giây. Các tính chất của Thorom cũng giống nhƣ Radon và hàm lƣợng tối đa cho phép trong không khí mỏ theo Hội đồng bảo hiểm quốc tế về chống phóng xạ ion giống nhƣ đối với Radon. 1.1.2.3. Khí cháy, nổ Metan trong các mỏ than hầm lò 1. Tính chất hóa lý của khí Metan Metan là một chất khí đơn giản nhất trong số các khí thuộc cacbuahidro no. 12
Metan là một chất khí không màu, không mùi, không vị, trọng lƣợng riêng là 0,554g/cm3, trọng lƣợng phân tử là 16,03. Metan thoát ra từ than và đất đá vây quanh vỉa than ra các đƣờng lò gây nguy hiểm nhất trong bầu không khí mỏ. Trong điều kiện bình thƣờng, khí Metan ở dạng trơ và chỉ liên kÕt ở dạng halogen. Mặc dù Metan là khí không ảnh hƣởng tới quá trình hô hấp nhƣng hàm lƣợng đáng kể trong không khí sẽ gây nguy hiểm bởi vì khí Metan đẩy khí Oxi (4,8% Metan sẽ đẩy 1% Oxi). Metan là khí có khả năng cháy nổ. Điều kiện cháy nổ của khí Metan: khi Metan cháy có ngọn lửa màu lam nhạt, đồng thời sinh ra khí CO2và hơi nƣớc. Khi thiếu Oxi cháy Metan tạo ra Oxitcacbon (CO), Hidro (H2) và hơi nƣớc. Nhiệt lƣợng cháy của Metan là 13.300kcal/kg, nhiệt độ bốc cháy là 650 đến 7500 (phụ thuộc hàm lƣợng Metan trong không khí, thành phần của môi trƣờng, dạng và áp lực cháy). Khi trong không khí có hàm lƣợng Metan từ 5 đến 6% và có nguồn lửa nó sẽ bốc cháy, khi hàm lƣợng lên đến 15% ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn thì hỗn hợp có thể nổ nếu gặp lửa. Hàm lƣợng 9,5% là nổ mạnh nhất. Ở điều kiện bình thƣờng, khi tăng hàm lƣợng khí Metan trên 15% sẽ không xảy ra nổ mặc dầu gặp nguồn lửa vì không đủ hàm lƣợng Oxi. Nhiệt độ sau khi nổ Metan nếu không bị giới hạn về thể tích là 1875oC còn khi bị giới hạn 2150 ÷ 2650oC. Nổ khí Metan gây sóng thuận khi không khí truyền sóng từ điểm nổ ra chu vi đƣờng lò còn sóng nghịch khi hơi nƣớc chuyển về trung tâm điểm nổ. Lực tác dụng của sóng nổ nghịch yếu hơn sóng nổ thuận. Sóng nổ tạo ra áp lực từ 4 ÷ 20Mpa. Næ khÝ Metan kh«ng ®¬n gi¶n lµ næ xong lµ chÊm døt mµ cã kh¶ n¨ng næ tiÕp do khi næ xong t¹o ra xung quanh vïng ®· næ mét vïng ¸p suÊt ©m. Khí Metan ở trong khoảng không đã khai thác hoặc trong khối nguyên dồn về cân bằng lại áp suất tạo nên hỗn hợp nổ khác, nhờ gió mang đi gặp nhiệt độ cao trong vùng xảy ra nổ lại gây nổ tiếp. Hiện tƣợng nổ này xảy ra dọc theo đƣờng lò có gió đi qua gọi là nổ lặp hay là nổ dây chuyền. Metan lµ mét chÊt khÝ cã nhiÖt dung riªng rÊt cao, do ®ã khi b¾t löa th× kh«ng næ ngay mµ cã mét thêi gian c¶m øng nhiÖt nhÊt ®Þnh lµm t¨ng nhiÖt ®é ®Õn nhiÖt ®é næ. Thời gian này gọi là thời gian ủ nhiệt. Thời gian này sẽ giảm đi khi nhiệt độ không khí tăng và hàm lƣợng khí Metan trong không khí giảm, B¶ng1.3. 13
Bảng 1.3. Thời gian ủ nhiệt của khí Metan. Toc 775 875 975 CH4% 6 1,08s 0,35s 0,12s 7 1,15s 0,36s 0,13s 8 1,25s 0,37s 0,14s 9 1,30s 0,39s 0,14s 10 1,40s 0,41s 0,15s 12 1,64s 0,44s 0,16s Căn cứ vào thời gian ủ nhiệt ngƣời ta chế tạo ra thuốc nổ an toàn bằng cách triệt tiêu ngọn lửa trƣớc thời gian ủ nhiệt của Metan. 2. Các dạng tồn tại của khí Metan trong khối than, đá. Metan tồn tại trong các khối than và đá bao quanh vỉa than ở trạng thái tự do và bị liên kết. Ở trạng thái tự do Metan lấp các lỗ rỗng, khe nứt, ở các tầng sâu ngoài trạng thái tự do Metan cơ bản tồn tại ở trạng thái liên kết. Hình 1.2. Sự hấp phụ và hấp phụ xâm nhập của khí Metan Các dạng liên kết khí Metan với các chất rắn đƣợc phân làm 03 loại. Hấp phụ: là liên kết các phân tử Metan với bề mặt chất rắn dƣới tác động của lực hút phân tử mà không có phản ứng hóa học. Hấp phụ xâm nhập: Xâm nhập phân tử Metan 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 Metan và chất rắn. Lƣợng khí Metan tồn tại cơ bản trong khối than, đá ở dạng liên kết hấp phụ. 14
Hình 1.3. Sự hấp phụ và thoát khí Metan trong khối than, đá 3. Các dạng thoát khí Metan trong mỏ hầm lò Metan thoát ra trong các đƣờng lò ở mỏ 1 trong 3 dạng sau: Sự thoát khí từ từ liên tục: Khí Metan thoát ra bề mặt lộ gƣơng bằng con đƣờng thẩm thấu qua khe nứt và lỗ rỗng của khối than, đá ở độ sâu theo hƣớng gia tăng áp lực mỏ một cách lâu dài, từ từ hoặc liên tục theo thời gian. Dạng thoát khí này đóng vai trò cơ bản, phổ biến trong các đƣờng lò mỏ. Lƣợng thoát khí Metan càng cao khi độ chứa và độ thẩm thấu khí trong khối than càng lớn. Khi đào lò chạm đến vỉa than, cƣờng độ thoát khí Metan có giá trị lớn nhất sau đó sẽ giảm dần và sau 6 ÷ 12 tháng cơ bản sẽ hết. Sự thoát khí dƣới dạng xì: Xì khí Metan là dạng thoát khí từ các khe nứt nhìn thấy đƣợc hoặc từ các các dải than, đá trong khối nguyên một cách tự nhiên hay khai thác vỉa than với cƣờng độ không đƣới 1m3/T theo khu vực khai thác có chiều dài không nhỏ hơn 20m. Cƣờng độ xì khí Metan có thể đạt từ một vài cho đến hàng chục nghìn mét khối ngày/đêm, còn thời gian có thể một vài giờ đến một vài năm. Xì khí trong quá trình khai thác đƣợc hình thành khi nổ mìn hoặc điều khiển đá vách... Nguy hiểm của xì khí là làm tăng đột ngột hàm lƣợng khí Metan trong các đƣờng lò dẫn đến nguy cơ tích tự khí Metan thành lớp. Để ngăn ngừa xì khí Metan phải 15
sơ bộ tháo khí vỉa than bằng cách khoan tiến trƣớc, lựa chọn phƣơng pháp điều khiển đá vách phù hợp cũng nhƣ tăng lƣu lƣợng gió vào các đƣờng lò nguy hiểm xì khí. Sự phụt khí Metan và đất đá, than vụn: Đây là sự thoát khí Metan cục bộ, tức thời (một vài chục giây) với lƣợng lớn khí thoát ra (vài trăm đến 500 ngàn mét khối) cùng lúc mang theo một lƣợng than và đá vỡ vụn ra đƣờng lò (hàng nghìn tấn). Các ruộng mỏ nằm trong giới hạn phụt khí Metan và đất đá, than vụn hoặc các tầng phía dƣới đƣợc đƣa vào vùng nguy hiểm phụt bất ngờ. Càng tăng độ sâu khai thác càng tăng chỉ số nguy hiểm phụt khí Metan và đất đá, than vụn. Phụt bất ngờ xảy ra khí đào các đƣờng lò khai thông mở vỉa vào các vỉa than nguy hiểm hoặc gặp vùng phá hủy kiến tạo và thỉnh thoảng ở các lò chợ khai thác than. Mức độ nguy hiểm phụt bất ngờ tăng lên khi độ chứa khí các vỉa than tăng theo độ sâu khai thác. Các dấu hiệu nhận biết phụt bất ngờ: rung lắc chòong khoan, xáo động vỉa than, đất đá, lở gƣơng, than bị ép vỡ vụn, tăng độ thoát khí. Áp lực mỏ, rung lắc do các thiết bị làm việc, nổ mìn, tập trung ứng suất trong khối than, đá (than, đá bị lồi ra) làm phụt bất ngờ tăng lên. Các phƣơng pháp ngăn ngừa phụt bất ngờ đƣợc chia theo các vùng và khu vực mỏ. Các phƣơng pháp chia vùng bao gồm: bảo vệ vỉa khi khai thác, sơ bộ tháo khí khối than, đá bằng các lỗ khoan, làm ẩm vỉa than bằng các lỗ khoan dài dọc theo vỉa than khai thác theo hƣớng nƣớc chảy trong vỉa...Các phƣơng pháp chia thành khu vực bao gồm: Khoan tiến trƣớc gƣơng các đƣờng lò đang hoạt động, bơm nƣớc vào vỉa phía gƣơng, chống tăng cƣờng vì chống tiến gƣơng khi đào lò chuẩn bị ... Metan có thể thoát theo các khe nứt từ các vỉa than và đất đá vây quanh ra các khu công nghiệp và khu dân sinh trên mặt đất. Để ngăn ngừa các trƣờng hợp này phải hút khí Metan qua các lỗ khoan từ mặt đất hoặc bơm vữa xi măng vào các khe nứt. 4. Độ chứa khí Metan trong các vỉa than và độ thoát khí Metan trong mỏ than hầm lò. a. Độ chứa khí Metan trong các vỉa than. Độ chứa khí Metan là lƣợng khí Metan tự nhiên chứa trong khối than hoặc đất đá vây quanh vỉa than với đơn vị khối lƣợng (m3/t) hoặc thể tích (m3/m3). Hiện nay để xác định độ chứa khí Metan trên cơ sở lƣợng khí Metan có chứa trong một tấn than nguyên khối, ở trạng thái khô, không tro, không chất bốc (m3/TKC). 16
Các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến độ chứa khí Metan tự nhiên của vỉa than bao gồm: Mức độ biến chất của than, khả năng liên kết, lỗ rỗng, độ thẩm thấu khí, độ ẩm, độ sâu khai thác theo hƣớng dốc, địa chất thủy văn. Mức độ biến chất của than càng cao mức độ chứa khí Metan càng lớn. Trong cùng điều kiện than có nhiều lỗ rỗng lƣợng khí Metan chứa càng nhiều. Độ thẩm thấu khí càng cao khí Metan thoát ra càng dễ, dẫn đến độ chứa khí giảm. Độ chứa khí Metan của các vỉa than tăng lên theo hƣớng dốc khi khai thác các vỉa than xuống sâu, có thể lên đến 35m3/t. Độ chứa khí Metan của đất đá vây quanh vỉa than có thể lên đến 6m3/t. Các vỉa than chứa nƣớc tạo điều kiện khí Metan hòa tan trong nƣớc làm giảm độ chứa khí. Khí Metan đi lên mặt đất theo hƣớng ngƣợc chiều luồng gió tự nhiên và các chất khí sinh học tạo thành bốn đới khí: Cácboníc, Nitơ, Nitơ - Metan, Metan. Giá trị độ chứa khí Metan rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ nguy hiểm về khí Metan trong khai thác than hầm lò nên đƣợc nghiên cứu rất kỹ lƣỡng. Độ chứa khí Metan trong các vỉa than đƣợc xác định ngay trong quá trình thăm dò địa chất khi chƣa có mỏ. Giá trị của độ chứa khí này đƣợc sử dụng vào việc dự đoán loại mỏ trong thiết kế khai thác mỏ ban đầu. Khi đã khai thác mỏ, độ chứa khí Metan bị ảnh hƣởng của việc khai thông mở vỉa, khai thác mỏ, điều khiển đá vách và sử dụng các phƣơng pháp làm giảm khí. Vì vậy độ chứa khí Metan trực tiếp này đƣợc sử dụng để xếp loại mỏ. Độ chứa khí Metan của các vỉa than trong các khu vực khai thác đƣợc xác định theo “Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò QCVN 01: 2011/BCT”. b. Độ thoát khí Metan trong mỏ than hầm lò: Độ thoát khí Metan trong mỏ hầm lò đƣợc thông qua cƣờng độ thoát khí ra các đƣờng lò riêng, các khu vực khai thác, các vỉa than hoặc các mỏ. - Độ thoát khí Metan tuyệt đối: Lƣợng khí Metan thoát ra các đƣờng lò riêng trong một đơn vị thời gian thƣờng là ngày đêm (m3/ngày.đêm) gọi là độ thoát khí Metan tuyệt đối. Độ thoát khí Metan của các vỉa than trong các khu vực khai thác đƣợc xác định theo “Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò QCVN 01: 2011/BCT”. 17
c. Xếp loại mỏ nguy hiểm theo khí Metan. Căn cứ vào hàm lƣợng và hình thức khí Metan thoát ra trong quá trình khai thác (độ thoát khí Metan tƣơng đối), các mỏ than hầm lò đƣợc xếp hạng nhƣ trong bảng 1.4. Đối với những mỏ, khu vực mới đang chuẩn bị khi chƣa xác định đƣợc độ thoát khí tƣơng đối, việc xếp loại mỏ theo khí Metan đƣợc thực hiện cho từng vỉa căn cứ vào vào độ chứa khí Metan tự nhiên đƣợc xác định của từng vỉa đó để xếp loại mỏ theo độ chứa khí Metan tự nhiên quy định trong bảng 1.5 Bảng 1.4. Xếp loại mỏ theo độ thoát khí Metan tƣơng đối trong quá trình khai thác Loại mỏ theo khí Metan Độ thoát khí Metan tƣơng đối của mỏ (m3/T- ngày – đêm) I 80,0 Từ 4,5 đến < 8 Siêu hạng > 80,0 >8 1.2. Các đại lượng vật lý đặc trưng của không khí mỏ khi xuống sâu 1.2.1. Trọng lượng riêng của không khí Trọng lƣợng riêng của không khí là trọng lƣợng của không khí trong một đơn vị thể tích, ký hiệu là : G   , ( N/m3) hoặc (kG/m3) (1.4) V Trong đó: 18
G - trọng lƣợng của một đơn vị thể tích không khí, N (kG); Thể tích đơn vị không khí, m3. 1.2.2. Khối lượng riêng của không khí Khối lƣợng riêng của không khí là khối lƣợng chứa trong 1m3 không khí ký hiệu là ρ: M   kg/m3 (1.5) V Giữa trọng lƣợng riêng và khối lƣợng riêng có mối quan hệ sau:    .g (1.6) Trong đó: g là gia tốc trọng trƣờng, m/s2. Ở điều kiện áp suất không khí là 760 mmHg và nhiệt độ là 00c thì   1,2kg / m 3 1.2.3. Thể tích riêng Là thể tích của một đơn vị trọng lƣợng không khí, ký hiệu là v. G  (m3/N; m3/kG) (1.7) M 1.2.4. Nhiệt độ của không khí mỏ 1.2.4.1. Khái niệm, đơn vị đo Nhiệt độ là một trong những thông số, biểu thị trạng thái của không khí. Trong thông gió mỏ thƣờng dùng nhiệt độ khô và ƣớt. Nhiệt độ khô của không khí là nhiệt độ đọc đƣợc trên nhiệt kế chất lỏng mà mặt ngoài bầu đựng chất lỏng của nó ở trạng thái khô ráo bình thƣờng, đƣợc ký hiệu là tk và đƣợc đo bằng 0C. Nhiệt độ ƣớt của không khí là nhiệt độ đo đƣợc trên nhiệt kế chất lỏng của nó đƣợc làm ƣớt thƣờng xuyên bằng một lớp vải mỏng nhúng trong một bình nƣớc nguyên chất, ký hiệu là tƣ, 0C. Ngoài đơn vị bách phân (celsius) ngƣời ta còn dùng đơn vị kelvin (0K) để biểu thị nhiệt độ không khí. Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ là : T = 273 + t , 0K (1.8) 19
1.2.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng tới nhiệt độ không khí trong mỏ Nhiệt độ không khí ngoài trời; Nhiệt độ sinh ra do các quá trình: Ngƣời thải nhiệt, vi sinh vật hoạt động, quá trình oxi hoá than...; Nhiệt độ sinh ra do tổn hao điện năng của thiết bị điện; Do địa nhiệt; Trong các yếu tố trên khi khai thác xuống sâu địa nhiệt đóng vai trò chủ yếu. Địa nhiệt có hai cách biểu diễn: Địa nhiệt cấp là số mét xuống sâu để nhiệt độ tăng lên một 0C; Địa nhiệt suất là số độ bách phân tăng lên khi xuống sâu 100 m. 1.2.5. Độ nhớt Là tính chất của dịch thể cản lại sự chuyển động của các phân tử này trên mặt các phân tử khác. Nguyên nhân của độ nhớt là ma sát trong của các phân tử. Độ nhớt của không khí đƣợc đặc trƣng bằng độ nhớt động . Trong hệ thống đo lƣờng quốc tế, độ nhớt động lực đƣợc đo bằng N.s/m2. Độ nhớt của không khí tăng với sự tăng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ t = 00c, áp suất p  760mmHg thì  = 1,712.10-6. Ngoài độ nhớt động lực ngƣời ta còn sử dụng độ nhớt động học  2  ,[m / s ] , (1.9)  1.2.6. Độ ẩm của không khí Hỗn hợp của không khí khô và hơi nƣớc gọi là không khí ẩm. Khí trời cũng nhƣ không khí trong hầm lò luôn luôn chứa một lƣợng hơi nƣớc nhất định. Sự tồn tại của hơi nƣớc trong không khí gọi là độ ẩm không khí. Độ ẩm không khí bao gồm độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm bão hòa và độ ẩm tƣơng đối. 1.2.6.1.Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lƣợng hơi nƣớc tính bằng kg chứa trong 1 m3 không khí ẩm. Ký hiệu độ ẩm tuyệt đối là d, đơn vị đo là kg/m3. 1.2.6.2. Độ ẩm bão hoà Độ ẩm bão hoà là trọng lƣợng hơi nƣớc tối đa chứa trong 1 m3 không khí. Ký hiệu độ ẩm bão hoà là D, đơn vị đo là kg/m3. 20