Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí mê tan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê

Chia sẻ: Bobietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là lựa chọn phương pháp và công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn trong khai thác mỏ. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học và thực tiễn áp dụng cho các mỏ khai thác than hầm lò ở Việt Nam có nhu cầu khoan tháo khí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí mê tan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Nguyễn Trần Tuân NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG MẠO KHÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014
2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Nguyễn Trần Tuân NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG MẠO KHÊ Ngành: Kỹ thuật dầu khí Mã số: 62.52.06.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Trần Đình Kiên 2. TS Nguyễn Xuân Thảo HÀ NỘI - 2014
3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án
4 MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ THAN KHAI THÁC HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 6 1.1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác hầm lò trên thế giới 6 1.2. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới 9 1.2.1. Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 9 1.2.2. Phương pháp tháo và thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò 13 1.2.3. Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo và thu hồi khí Mêtan trong hầm lò 17 1.3. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở Việt Nam 19 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC ẢNH HƢỞNG TỚI CÔNG TÁC KHOAN VÀ TÌNH TRẠNG KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 24 2.1. Đặc điểm địa chất và tính chất cơ lý đá 24 2.1.1. Đặc điểm cấu trúc địa tầng 24 2.1.2. Đặc điểm kiến tạo và hệ thống đứt gẫy 25 2.1.3. Tính chất cơ lý đá 26 2.2. Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê 29 2.3. Hiện trạng khai thác than và tình trạng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 30 2.3.1. Hiện trạng khai thác than ở mỏ Mạo Khê 31 2.3.2. Đặc điểm tiềm tàng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 34 2.3.3. Các giải pháp an toàn phòng ngừa khí Mêtan xuất hiện trong lò 38
5 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 41 3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang 41 3.1.1. Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá 41 3.1.2 Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang 45 3.1.3. Các dạng phức tạp trong khoan ngang 47 3.2. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51 3.2.1. Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51 3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê 55 3.2.3. Lựa chọn phương pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 58 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHƢƠNG PHÁP KHOAN XOAY - ĐẬP ĐỂ KHOAN CÁC LỖ KHOAN NGANG THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 66 4.1. Thiết bị khoan thử nghiệm 67 4.2. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ công nghệ khoan ngang tới tốc độ cơ học khoan 70 4.3. Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý 79 4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức -80 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHẦN PHỤ LỤC 117
6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT API: Viện dầu khí Mỹ B: Hƣớng Bắc DDK: Dung dịch khoan Đ: Hƣớng Đông ĐCCT-ĐCTV: Địa chất công trình, địa chất thủy văn E: Năng lƣợng phá hủy đá, kW.h/m F.A; F.B; F.340: Đứt gãy F.A; Đứt gãy F.B; Đứt gãy F.340 K: Độ thẩm thấu, m2 Kotb: Hệ số thu hồi khí Mêtan từ lỗ khoan L: Chiều dài lỗ khoan, m LK: Lỗ khoan MK: Mạo Khê n: Tốc độ quay cột cần khoan, v/ph nđ: Tần số đập, lần/ph N: Hƣớng Nam OML: Ống mẫu luồn P: Tải trọng chiều trục, N Pđ: Tải trọng chiều trục do năng lƣợng đập trong khoan xoay đập, kW PO: Tải trọng chiều trục trong khoan xoay, kN Ps: Độ cứng của đá, MPa q: Trọng lƣợng riêng một mét cần khoan, N/m Q: Lƣu lƣợng nƣớc rửa, l/ph
7 Qo: Lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan, kg/s QMK: Khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác, m3/tháng TKV: Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam T. IIIA: Tuyến III A T: Hƣớng Tây V.9: Vỉa than thứ 9 Vimsat: Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin Vm: Vận tốc cơ học khoan, m/h
8 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các vụ tai nạn điển hình liên quan tới nổ khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò của một số nƣớc trên thế giới 7 Bảng 2.1. Mức độ phong hóa, nứt nẻ đá ở mỏ Mạo Khê 25 B¶ng 2.2. TÝnh chÊt c¬ lý ®Æc tr-ng cho c¸c lo¹i ®¸ ë má than hÇm lß M¹o Khª 28 Bảng 2.3. Công suất khai thác của mỏ Mạo Khê từ năm 2010 đến năm 2015 32 Bảng 2.4. Độ chứa khí và trữ lƣợng khí ở mỏ than Mạo Khê theo chiều sâu 35 Bảng 2.5. Kết qủa quan trắc thực tế và dự báo lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lò chợ khai thác các vỉa than ở mỏ Mạo khê 37 Bảng 3.1. Các thông số chế độ khoan xoay - đập 64 Bảng 4.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và máy bơm nƣớc rửa MG-15 67 Bảng 4.2. Đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89 70 Bảng 4.3. Mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ học trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 72 Bảng 4.4. Mức độ ảnh hƣởng của tốc độ quay cột cần khoan tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS- 89 trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; tải trọng chiều trục Po= 9000 - 13000N; Q= 45-50l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã 73 Bảng 4.5. Mức độ ảnh hƣởng của tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; Q= 45-50l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã 74 Bảng 4.6. Mức độ ảnh hƣởng của lƣu lƣợng nƣớc rửa tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80 - 200v/ph; Po=9000-13000N; dung dịch khoan - nƣớc lã 75 Bảng 4.7. Mức độ ảnh hƣởng của tốc độ quay cột cần khoan tới tốc độ cơ
9 học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS- 89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000 -3000MPa; tải trọng chiều trục Po= 6000- 7000N; Q=50-60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã 76 Bảng 4.8. Mức độ ảnh hƣởng của tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000 -3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; Q= 50 -60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã 77 Bảng 4.9. Mức độ ảnh hƣởng của lƣu lƣợng nƣớc rửa tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL và bộ OML PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000-3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; tải trọng chiều trục Po= 6000- 7000N; dung dịch khoan - nƣớc lã 78 Bảng 4.10. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS=2000-3000MPa 81 Bảng 4.11. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa; nđ = 800lần/ph 83 Bảng 4.12. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa; nđ = 1000lần/ph 85 Bảng 4.13. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa; nđ = 1200lần/ph 87 Bảng 4.14. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000 MPa 89
10 Bảng 4.15. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; nđ - 800lần/ph 91 Bảng 4.16. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; nđ = 1000lần/ph 93 Bảng 4.17. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000MPa; nđ = 1200lần/ph 95 Bảng 4.18. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa 97 Bảng 4.19. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa 99 Bảng 4.20. Thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS -89 102
11 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Thực trạng và dự báo khối lƣợng khai thác khí Mêtan ở một số nƣớc trên thế giới 8 Hình 1.2. Vị trí các lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất 10 Hình 1.3. Cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất 11 Hình 1.4. Phƣơng pháp thu hồi khí ở các vỉa than trƣớc khi khai thác bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 12 Hình 1.5. Mô hình khai thác khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 13 Hình 1.6. Khai thác khí Mêtan ở Nga bằng thiết bị hút gật gù 13 Hình 1.7. Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở khu vực đã phá hoả sau khi khai thác 15 Hình1.8. Các lỗ khoan ngang tháo khí trƣớc khi khai thác 16 Hình 1.9. Các lỗ khoan ngang tháo khí bố trí theo dạng dải quạt ở gƣơng lò trong quá trình khai thác 16 Hình 1.10. Mô hình sơ đồ tổng thể các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò 17 Hình 1.11. Cấu trúc lỗ khoan ngang tháo khí 19 Hình 1.12. Bản đồ phân bổ khí Mêtan ở vùng than Quảng Ninh 20 Hình 1.13. Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở mỏ than Khe Chàm 22 Hình 1.14. Sơ đồ bố trí các cụm lỗ khoan tháo khí ở mỏ than Khe Chàm 22 Hình 2.1. Khe nứt thể hiện trên bề mặt mẫu than ở mỏ Mạo Khê 30 Hình 2.2. Hiện trạng khai thác khu vực cánh Bắc, mức -80 mỏ than Mạo Khê 32 Hình 2.3. Hiện trạng khai thác cánh Nam, mức -80 mỏ than Mạo Khê 33 Hình 2.4. Bản đồ hiện trạng khai thác mức -150 mỏ than Mạo Khê 33 Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang 42 Hình 3.2. Sự phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục vào chiều dài lỗ khoan ngang 44
12 Hình 3.3. Sơ đồ lực tác dụng lên thành lỗ khoan ngang 44 Hình 3.4. Hiện tƣợng cong lỗ khoan ngang do lệch tâm bộ dụng cụ khoan 46 Hình 3.5. Hƣớng cong lỗ khoan ngang 46 Hình 3.6. Khả năng lỗ khoan bị lệch hƣớng khi gặp lớp đá có độ cứng khác nhau 46 Hình 3.7. Lệch hƣớng lỗ khoan khi khoan trong vỉa than 47 Hình 3.8. Hình dạng thành trên của lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ 48 Hình 3.9. Trạng thái khối đá bao quanh thành trên lỗ khoan ngang 49 Hình 3.10. Sơ đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan ngang 50 Hình 3.11. Sơ đồ tác dụng cần khoan với thành dƣới của lỗ khoan ngang trong quá trình khoan 50 Hình 3.12. Vị trí lỗ khoan tháo khí ở khu vực vỉa 9Đ chuẩn bị khai thác 54 Hình 3.13. Cấu trúc lỗ khoan ngang thu hồi khí tại vỉa 9Đ 54 Hình 3.14. Mô hình phá huỷ đá trong các phƣơng pháp khoan 61 H×nh 4.1. ThiÕt bÞ khoan RPD-130SL-F2W 69 Hình 4.2. Bộ ống mẫu luồn PS – 89 69 Hình 4.3. Mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ học trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 72 Hình 4.4. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa 82 Hình 4.5. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000- 3000MPa 82 Hình 4.6. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000- 3000MPa, nđ = 800lần/ph 84 Hình 4.7. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa, nđ = 800lần/ph 84
13 Hình 4.8. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000- 3000MPa, nđ = 1000lần/ph 86 Hình 4.9. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa, nđ = 1000lần/ph 86 Hình 4.10. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000- 3000MPa, nđ = 1200lần/ph 88 Hình 4.11. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa, nđ = 1200lần/ph 88 Hình 4.12. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa 90 Hình 4.13. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 - 7000 MPa 90 Hình 4.14. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa, nđ = 800lần/ph 92 Hình 4.15. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa, nđ = 800lần/ph 92 Hình 4.16. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa, nđ = 1000lần/ph 94 Hình 4.17. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa, nđ = 1000lần/ph 94
14 Hình 4.18. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 Mpa, nđ = 1200lần/ph 96 Hình 4.19. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa, nđ = 1200lần/ph 96 Hình 4.20. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N 98 Hình 4.21. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N 98 Hình 4.22. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N 100 Hình 4.23. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N 100 Hình 4.24. Một số hình ảnh mẫu khoan trong tầng argilit than (a), sét than (b) và bởi rời liên kết yếu bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 103 Hình 4.25. Hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng gió thải lò chợ vỉa 9Đ trƣớc và sau khi tháo khí 104 Hình 4.26. Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ vỉa 9Đ mỏ than Mạo Khê 105
15 Më ®Çu 1. Tính cấp thiết của đề tài Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ than của các ngành công nghiệp Việt Nam, trong những năm qua, sản lƣợng khai thác than ở các mỏ than vùng Quảng Ninh đã liên tục tăng nhanh. Trong tƣơng lai, các mỏ than sẽ phải nâng cao công suất khai thác và phát triển mỏ theo bề rộng và xuống sâu. Đối với mỏ than hầm lò, khi khai thác xuống sâu thƣờng gặp nhiều nguy cơ mất an toàn trong khai thác, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí Mêtan. Trong những năm gần đây, một số mỏ vùng Quảng Ninh đã xảy ra các vụ nổ khí lớn gây thiệt hại đến ngƣời và tài sản mỏ nhƣ Công ty than Mạo Khê năm 1999 làm thiệt mạng 19 ngƣời, hai vụ nổ khí liên tiếp xảy ra tại Xí nghiệp than Khe Chàm II và Xí nghiệp khai thác than 909 năm 2002 làm chết 13 ngƣời. Tháng 3 năm 2006, tại Công ty than Thống Nhất đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm chết 8 ngƣời và gần đây nhất là vụ nổ khí tại Công ty than Khe Chàm ngày 09 tháng 12 năm 2008 làm chết 11 ngƣời. Theo Quyết định số 1338/QĐ-BCT ngày 17/03/2009 của Bộ Công Thƣơng về việc xếp loại mỏ theo khí Mêtan thì Mỏ than Mạo Khê đƣợc xếp loại mỏ siêu hạng với độ xuất khí Mêtan tƣơng đối là 15,58 m3/T.ngày-đêm. Với độ xuất khí nhƣ trên, cần phải nghiên cứu và áp dụng các giải pháp tháo và thu hồi khí Mêtan nhằm phòng ngừa những hiểm họa cháy nổ khí Mêtan, đảm bảo an toàn trong khai thác. Song song với việc áp dụng phƣơng pháp thông gió truyền thống để làm giảm hàm lƣợng khí Mêtan trong mỏ đến mức an toàn; Mỏ Mạo Khê cũng đã bắt đầu áp dụng phƣơng pháp khoan các lỗ khoan theo các hƣớng khác nhau để tháo khí Mêtan trong các vỉa than, trong các khu vực đã khai thác và trong đá vách bao quanh khu vực khai thác. Thực tế cho thấy, khi khoan các lỗ khoan ngang dài đều cho năng suất thấp và không đạt tới chiều
16 dài thiết kế; nguyên nhân chủ yếu là do chƣa lựa chọn đƣợc phƣơng pháp khoan và công nghệ khoan hợp lý, phù hợp với yêu cầu, mục đích tháo khí Mêtan của mỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp khoan, công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan các lỗ khoan tháo khí ở mỏ Mạo Khê phù hợp với điều kiện địa chất mỏ, điều kiện khai thác ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn khai thác, giảm ô nhiễm môi trƣờng là rất cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn đáp ứng các nhu cầu sản xuất không chỉ riêng mỏ Mạo Khê hiện nay, mà còn cho các mỏ than khai thác hầm lò ở Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp và công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn trong khai thác mỏ. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học và thực tiễn áp dụng cho các mỏ khai thác than hầm lò ở Việt Nam có nhu cầu khoan tháo khí. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác ở mỏ than Mạo Khê. - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu đặc điểm công nghệ khoan ngang; công nghệ khoan xoay - đập trong điều kiện địa chất mỏ Mạo Khê; mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ cơ học khoan nhƣ tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần của bộ dụng cụ khoan; tần số đập của cơ cấu đập và chi phí năng lƣợng cho quá trình phá hủy đá trong khoan xoay - đập. 4. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật liên quan tới khoan tháo khí trong hầm lò trên thế giới và trong nƣớc.
17 Nghiên cứu đặc tính công nghệ khoan ngang và công nghệ khoan xoay - đập bằng ống mẫu luồn để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong các mỏ than khai thác hầm lò. Nghiên cứu thử nghiệm khoan xoay - đập để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong điều kiện thực tế mỏ Mạo Khê. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, lựa chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê và xác định hiệu quả tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan ngang. 5. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, nghiên cứu, phân tích tài liệu và số liệu liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu đề tài; - Thử nghiệm trong điều kiện thực tế; quan trắc và thu thập số liệu thực tế về công nghệ khoan xoay - đập khi khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo Khê; - Ứng dụng phƣơng pháp toán xác suất thống kê, phân tích và xử lý các số liệu quan trắc thực tế để lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS- 89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo Khê, không chỉ khắc phục các nhƣợc điểm khi khoan bằng phƣơng pháp khoan xoay, mà còn nâng cao tốc độ cơ học khoan, hiệu quả tháo khí. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học, luận chứng để lựa chọn công nghệ khoan tháo khí ở các mỏ than khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh. - Ý nghĩa thực tiễn: lựa chọn các thông số chế độ khoan ngang hợp lý tháo khí ở mỏ Mạo Khê bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác
18 để nâng cao hiệu quả khoan và tháo khí, đáp ứng kịp thời nhu cầu hiện tại về tháo khí Mêtan của mỏ. 7. Điểm mới của luận án Nghiên cứu đề xuất áp dụng công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò Mạo Khê bằng phƣơng pháp khoan xoay - đập và công nghệ khoan ống mẫu luồn thay thế cho khoan xoay truyền thống. Thử nghiệm trong điều kiện sản xuất, lựa chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan trong điều kiện mỏ Mạo Khê. 8. Luận điểm bảo vệ - Áp dụng phƣơng pháp khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD- 130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê là hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện khai thác mỏ và nhu cầu tháo khí hiện tại của mỏ. - Khoan ngang bằng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89, tốc độ cơ học trung bình tăng từ 1,45 lần đến 1,7 lần và năng lƣợng chi phí cho phá hủy đá giảm từ 70% đến 51% so với phƣơng pháp khoan xoay trong cùng một điều kiện đá, cùng loại thiết bị và chế độ khoan nhƣng không sử dụng năng lƣợng đập. 9. Cơ sở tài liệu của luận án Luận án đƣợc xây dựng trên cơ sở các tài liệu báo cáo tổng kết thăm dò địa chất của ngành than; các tài liệu khai thác mỏ than của Công ty than Mạo Khê, Tập đoàn Công nghiệp than - Khoáng sản Việt Nam cũng nhƣ các Công ty thành viên của Tập đoàn. Các tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nƣớc liên quan tới nội dung nghiên cứu của đề tài; các bài báo và các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả đăng trong các tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nƣớc. 10. Khối lượng và cấu trúc của luận án
19 Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chƣơng nội dung nghiên cứu, kết luận, kiến nghị, danh mục các công trình khoa học của tác giả đã đƣợc công bố và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung của luận án đƣợc trình bày trong 137 trang trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14, font chữ Time New Roman, Unicode, trong đó có 58 hình vẽ, 27 bảng biểu và phần phụ lục. 11. Lời cảm ơn Luận án đƣợc hoàn thành tại bộ môn Khoan - Khai thác, khoa Dầu khí, trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học tận tình của PGS. TS Trần Đình Kiên - Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất và TS. Nguyễn Xuân Thảo - Hội Công nghệ Khoan - Khai thác Việt Nam. Tác giả xin chân thành tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hƣớng dẫn đã chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu của tác giả. Trong quá trình làm luận án, tác giả nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các chuyên gia, các nhà khoa học thuộc Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin, Công ty than Mạo Khê - Vinacomin, Công ty than Khe Chàm - Vinacomin, Công ty than Mông Dƣơng và Trung Tâm quản lý khí mỏ than Việt Nam - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trƣớc sự hỗ trợ hết sức quý báu đó. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Ban giám hiệu trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, các cán bộ hƣớng dẫn khoa học, các cơ quan đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những ngƣời thân trong gia đình, tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian khó khăn mà tác giả trải qua để hoàn thành luận án. Xin ch©n thµnh c¶m ¬n !
20 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác hầm lò trên thế giới Ngày nay, khoa học đã khẳng định khí Mêtan thoát ra từ các mỏ khai thác than xâm nhập vào bầu khí quyển là một trong những nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trƣờng và hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, nếu nhìn nhận dƣới góc độ tích cực thì bản thân khí Mêtan là một nguồn nguyên liệu dùng làm khí đốt cho dân sinh; dùng cho công nghiệp hoá học; các nồi hơi, các lò nung công nghiệp; dùng cho sản xuất điện. Nhƣ vậy, trong công nghiệp khai thác than, nếu thu hồi và có công nghệ sử dụng hợp lý thì khí Mêtan lại là một nguồn tài nguyên quý, đồng thời việc thu hồi khí Mêtan thoát ra trong quá trình khai thác sẽ góp phần tích cực loại trừ đƣợc hiểm hoạ cháy nổ mỏ và giảm thiểu gây ô nhiễm môi trƣờng. Theo kết quả nghiên cứu của Trƣờng Đại học mỏ Quốc gia Xankt- Peterburg - Liên bang Nga [34] thì trữ lƣợng khí Mêtan ở các mỏ than của 40 nƣớc trên thế giới từ 115 đến 350 nghìn tỷ m3; trong đó: Nga từ 51 đến 52 nghìn tỷ m3; Trung Quốc từ 30 đến 37 nghìn tỷ m3; Mỹ từ 19 đến 22 nghìn tỷ m3; Canađa từ 10 đến 12 nghìn tỷ m3; Úc từ 8 đến 14 nghìn tỷ m3 và Indonesia từ 10 đến 11 nghìn tỷ m3. Theo báo cáo của tổ chức nghiên cứu về khí Mêtan ở Mỹ và Giơnevơ [34], các vụ tai nạn lớn, điển hình do nổ khí Mêtan ở các vỉa than trong giai đoạn từ năm 2005 đến 2007 ở trên thế giới đƣợc trình bày ở bảng 1.1. Hiện nay, tình trạng cháy nổ khí Mêtan ngày càng thêm trầm trọng do hệ thống khai thác than hầm lò ngày càng xuống sâu và mở rộng quy mô khai thác.