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

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

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

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

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 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

66 MỎ THAN MẠO KHÊ

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

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

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

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các vụ tai nạn điển hình liên quan tới nổ khí Mêtan ở các mỏ than

7 hầm lò của một số nƣớc trên thế giới

25 Bảng 2.1. Mức độ phong hóa, nứt nẻ đá ở mỏ Mạo Khê

B¶ng 2.2. TÝnh chÊt c¬ lý ®Æc tr ng cho c¸c lo¹i ®¸ ë má than hÇm lß M¹o

28 Khª

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

37 chợ khai thác các vỉa than ở mỏ Mạo khê

64 Bảng 3.1. Các thông số chế độ khoan xoay - đập

Bảng 4.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W

67 và máy bơm nƣớc rửa MG-15

70 Bảng 4.2. Đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89

Bảng 4.3. Mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ

72 học trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89

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

73 chiều trục Po= 9000 - 13000N; Q= 45-50l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã

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

75 khoan n = 80 - 200v/ph; Po=9000-13000N; dung dịch khoan - nƣớc lã

Bảng 4.7. 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 bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000 -3000MPa; tải trọng chiều trục

76 Po= 6000- 7000N; Q=50-60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã

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-

78 200v/ph; tải trọng chiều trục Po= 6000- 7000N; dung dịch khoan - nƣớc lã

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

81 trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS=2000-3000MPa

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

89 trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000 MPa

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

97 độ cứng Ps = 2000-3000MPa

Bảng 4.19. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có

99 độ cứng Ps = 5000-7000MPa

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

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

8 nƣớc trên thế giới

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

12 các lỗ khoan từ trên mặt đất

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

15 khi khai thác

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

16 trong quá trình khai thác

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 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

82 khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa

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-

84 3000MPa, nđ = 800lần/ph

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 =

84 2000-3000MPa, nđ = 800lần/ph

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-

86 3000MPa, nđ = 1000lần/ph

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 =

86 2000-3000MPa, nđ = 1000lần/ph

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-

88 3000MPa, nđ = 1200lần/ph

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 =

88 2000-3000MPa, nđ = 1200lần/ph

Hình 4.12. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào các thông số chế độ khoan, khi

90 khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, PS= 5000 -7000 MPa

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

92 MPa, nđ = 800lần/ph

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=

92 5000 -7000 MPa, nđ = 800lần/ph

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

94 MPa, nđ = 1000lần/ph

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=

94 5000 -7000 MPa, nđ = 1000lần/ph

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

96 Mpa, nđ = 1200lần/ph

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=

96 5000 -7000 MPa, nđ = 1200lần/ph

Hình 4.20. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

98 có độ cứng Ps = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N

Hình 4.21. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

98 có độ cứng Ps = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N

Hình 4.22. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

100 có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N

Hình 4.23. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá

100 có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N

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

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

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.

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

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

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 !

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.

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

Nƣớc Thời gian Mỏ than Số lƣợng

ngƣời chết

Trung Quốc 14-2-2005 Mỏ than Xunzanvanh, giếng 214

Haizu, Phunxinh

Kazastan 20-9-2006 Mỏ mang tên Lênin, TP. 43

Karagand

Nga 19-3-2007 Mỏ than “Ulianovk” TP. 108

Kemerovo

Ucraina 19-11-2007 Mỏ than mang tên 80

Zaxiat’co, TP. Doneshk

Mỹ 2-6-2006 Mỏ than “Cago” miền bắc 12

Virgina

Theo kết quả nghiên cứu của Trƣờng Đại Mỏ Quốc gia Xankt-

Peterburg- Liên bang Nga [34], khai thác khí Mêtan của 14 nƣớc công nghiệp trên thế giới đạt từ 75 - 80 tỷ m3/năm; trong đó: Mỹ đạt 54 tỷ m3/năm; Canada đạt 7,5 tỷ m3/năm; Trung Quốc 5,8 tỷ m3/năm; Úc đạt 5,5 tỷ m3/năm. Riêng ở

Mỹ từ năm 1989 đến năm 2010, khối lƣợng khí Mêtan thu hồi từ các mỏ than tăng 20 lần (từ 2,5 tỷ m3/năm đến 54 tỷ m3/năm); Canađa từ năm 2003 đến năm 2010 tăng 15 lần (từ 0,5 tỷ m3/năm đến 7,5 tỷ m3/năm); Úc và Trung

Quốc từ giữa những năm 90 đến năm 2010 tăng hơn 10 lần (từ 0,4 - 0,5 tỷ m3/năm đến 5,5 - 5,8 tỷ m3/năm). Hình 1.1 mô tả thực trạng thu hồi khí Mêtan

hàng năm và dự báo khả năng thu hồi khí Mêtan trong các mỏ hầm lò của một

số nƣớc trên thế giới [34].

Hình 1.1. Thực trạng và dự báo khối lƣợng thu hồi khí Mêtan

ở một số nƣớc trên thế giới

Ở Việt Nam, theo thống kê của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng

sản Việt Nam (Vinacomin), trong thời gian từ năm 1998 đến 2008 các mỏ than

hầm lò ở khu vực Quảng Ninh đã xảy ra 11 vụ tai nạn lao động do khí Mêtan,

chiếm 9,4% tổng số các vụ tai nạn lao động trong hầm lò; 41 ngƣời chết, chiếm

22,9 % trong tổng số ngƣời lao động bị tai nạn trong hầm lò. Đặc biệt, ngày

11/01/1999, tại mỏ Mạo Khê đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm 19 công nhân bị

thiệt mạng; ngày 06/3/2006, tại công trƣờng đào lò 3 – khu Yên Ngựa thuộc

Công ty than Thống Nhất, đã xảy ra một vụ nổ khí Mêtan cƣớp đi cuộc sống

của 8 thợ mỏ. Trong những năm gần đây, Tập đoàn đã tăng cƣờng đẩy mạnh

các biện pháp về quản lý khí mỏ nhƣ trang bị cho các mỏ các thiết bị quan

trắc khí, dự báo khí Mêtan ở các gƣơng lò khai thác, khoan tháo khí tiến trƣớc

để tháo khí Mêtan nhằm giảm nồng độ khí Mêtan xuất lộ trong quá trình khai

thác; đồng thời cũng đẩy mạnh công tác nghiên cứu khí mỏ và khả năng thu

hồi, sử dụng phục vụ cho các mục đích khác nhau.

Theo kết quả nghiên cứu [1, 4] thì đại đa số các mỏ than khai thác hầm

lò vùng Quảng Ninh đều thuộc mức độ nguy hiểm về khí Mêtan. Đặc biệt các

mỏ than khai thác ở chiều sâu từ -150m đến - 200m; trong tƣơng lai không xa

sẽ khai thác tới chiều sâu -300m đến – 400m. Sản lƣợng than khai thác càng

tăng, đồng nghĩa với lƣợng khí Mêtan và các loại khí khác thoát ra từ các vỉa

than trong quá trình khai thác càng lớn. Đây là một hiểm hoạ rất lớn đối với

công tác an toàn và môi trƣờng khai thác mỏ. Theo kết quả đánh giá sơ bộ,

với chiều sâu khai thác hiện nay và xuống sâu tới -400m, trữ lƣợng khí tại 7 khu vực khai thác hầm lò có khoảng 4,68 tỷ m3 tƣơng đƣơng với 3,35 triệu tấn

khí Mêtan [3]. Đây là các khu vực cần đƣợc nghiên cứu để có các giải pháp

tháo khí trong vỉa than nhằm đảm bảo giảm thiểu nguy cơ cháy nổ khí và phục

vụ cho nhu cầu phát triển năng lƣợng.

Nhƣ vậy, việc thu hồi khí Mêtan trong các vỉa than trƣớc khi khai thác

là vấn đề cần thiết, không những góp phần loại trừ các hiểm hoạ liên quan tới

cháy nổ mỏ, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, mà còn thu hồi đƣợc nguồn

nhiên liệu giá trị phục vụ cho công nghiệp và dân sinh.

1.2. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới đang tồn tại hai phƣơng pháp cơ bản tháo và thu

hồi khí Mêtan từ các vỉa than:

- Phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất;

- Phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò.

1.2.1. Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất

Các lỗ khoan từ trên mặt đất đƣợc áp dụng để tháo và thu hồi khí ở các

vỉa than trƣớc khi đƣa vào khai thác hoặc ở các khu vực lò khai thác cũ, khu

vực lò đã phá hoả đánh sập ở phía sau gƣơng khai thác (hình 1.2). Các lỗ

khoan từ trên mặt đất để tháo và thu hồi khí là các lỗ khoan thẳng đứng,

đƣờng kính lớn; đƣờng kính cuối cùng thƣờng từ 200mm đến 300mm.

Hình 1.2. Vị trí các lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất

1. lỗ khoan thu hồi khí từ các vỉa than; 2. lỗ khoan thu hồi khí ở khu

vực phá hoả đánh sập

Cấu trúc lỗ khoan, chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào lƣu lƣợng khí cần

thu hồi và vị trí chiều sâu của vỉa than, vị trí lò khai thác cũ. Cấu trúc lỗ

khoan thƣờng phức tạp và đƣợc lựa chọn trên cơ sở điều kiện địa chất mỏ;

điều kiện kỹ thuật- công nghệ thi công và điều kiện lắp đặt các thiết bị khai

thác. Đồng thời cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:

- Thân giếng cần phải bịt kín, ngăn cách tốt để không bị nƣớc bề mặt

hoặc nƣớc ngầm từ phía vách, trụ và đá bao quanh xâm nhập vào lỗ khoan,

đồng thời cũng ngăn cách không cho khí từ vỉa than thoát ra bên ngoài lỗ

khoan trong quá trình khai thác;

- Khoảng không gian giữa thân giếng và cột ống chống, ống khai thác

cần trám xi măng bịt kín không cho khí thoát vào khoảng không gian này;

- Đảm bảo lắp đặt các thiết bị, dụng cụ khai thác trong lòng giếng;

- Cần đảm bảo độ bền của lỗ khoan trong thời kỳ khai thác.

Thiết bị khoan là các thiết bị khoan đƣờng kính lớn nhƣ thiết bị khoan

GY-600; XY-42; LF-70; LF-90C; LF-90D; thiết bị URB - 3AM; thiết bị

1BA-15B; v.v... kết hợp với công nghệ khoan phá mẫu bằng choòng chóp

xoay; công nghệ khoan xoay lấy mẫu bằng mũi khoan kim cƣơng nếu cần lấy

mẫu đá, mẫu than để nghiên cứu.

Hình 1.3. Cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất

1. ống định hƣớng; 2. ống trung gian; 3. ống chống; 4. ống khai thác; 5. vỉa

than; 6. tầng đệ tứ; 7. sét; 8. cát kết; 9. sạn kết; 10. bột kết.

Hình 1.3 mô tả cấu trúc lỗ khoan thu hồi khí từ trên mặt đất. Để tăng

khả năng thu hồi khí, các nƣớc trên thế giới [22, 24, 25, 35, 36] đã áp dụng

các phƣơng pháp khác nhau nhƣ phƣơng pháp tác động cơ học, phƣơng pháp

vật lý, phƣơng pháp hóa học hoặc phƣơng pháp nứt vỉa. Phƣơng pháp nứt vỉa

để tạo ra khe nứt, lỗ hổng trong vỉa than làm tăng khả năng thu hồi khí trong

lỗ khoan. Phƣơng pháp thu hồi khí từ các lỗ khoan trên bề mặt cho năng suất

từ 50% đến 90% lƣợng khí chứa trong vỉa than.

Phƣơng pháp thu hồi khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất có ƣu điểm:

- Có thể thu hồi khí từ 2 đến nhiều vỉa than ở các khoảng chiều sâu

khác nhau (Hình 1.4); khí thu hồi thƣờng là khí có độ tinh khiết cao.

- Không phụ thuộc vào quá trình khai thác và không đòi hỏi thiết bị

khoan, thiết bị thu hồi khí chuyên dùng nhƣ trong hầm lò.

Bên cạnh đó, phƣơng pháp khoan thu khí từ mặt đất cũng có nhƣợc

điểm:

- Giá thành thi công cao;

- Cấu trúc lỗ khoan phức tạp;

- Không phù hợp với các vỉa than ở sâu mà độ thẩm thấu khí thấp, khí

thu hồi thƣờng lẫn với chất lỏng kích thích. Vì vậy, cần phải tách khí ra khỏi

chất lỏng trƣớc khi sử dụng.

Hình 1.5. Hình 1.6 mô tả hình ảnh thu hồi khí từ các lỗ khoan trên mặt

đất bằng thiết bị bơm gật gù ở Nga [35, 36].

Hình 1.4. Phƣơng pháp thu hồi khí ở các vỉa than trƣớc khi khai thác

bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất

Hình 1.5. Mô hình khai thác khí bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất

Hình 1.6. Khai thác khí Mêtan ở Nga bằng thiết bị hút gật gù.

1.2.2. Phương pháp tháo và thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong

hầm lò

Hiện nay các mỏ than khai thác hầm lò của Mỹ, Ba Lan, Đức, Nam Phi,

Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, v.v.. đều áp dụng phƣơng pháp tháo khí

bằng các lỗ khoan trong hầm lò. Các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò có ƣu

điểm và lợi ích:

- Giá thành thi công các lỗ khoan thấp hơn so với các lỗ khoan thu hồi

khí từ trên mặt đất.

- Có thể áp dụng cho các loại mỏ có chiều sâu và điều kiện địa chất

khác nhau, mức độ thẩm thấu khí trong các vỉa than khác nhau.

Bên cạnh các ƣu điểm, phƣơng pháp này cũng có những nhƣợc điểm

- ít có hiệu quả đối với các vỉa than có độ thẩm thấu khí tự nhiên thấp.

- Không gian lắp đặt thiết bị khoan, thiết bị thu hồi khí bị hạn chế bởi

điều kiện khai thác.

Căn cứ vào mục đích, nhu cầu và vị trí cần tháo khí; các lỗ khoan tháo

khí trong hầm lò đƣợc chia thành: các lỗ khoan tháo khí theo hƣớng xiên lên,

theo hƣớng ngang và theo hƣớng xiên xuống. Đồng thời cũng tuỳ theo mục

đích khai thác, giai đoạn khai thác, các lỗ khoan tháo và thu khí trong hầm lò

có thể chia thành các dạng: tháo và thu hồi khí trƣớc khi khai thác, trong khi

khai thác và sau khi khai thác.

1.2.2.1. Các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên hoặc xiên xuống

Các lỗ khoan tháo khí theo hướng xiên lên hoặc xiên xuống đƣợc áp

dụng để tháo khí ở các khu vực chứa khí nằm phía trên hoặc phía dƣới vỉa

than khai thác. Các lỗ khoan này thƣờng đƣợc khoan từ nóc lò hoặc từ nền lò

khai thác. Hƣớng khoan có thể vuông góc hoặc hợp với với mặt phẳng nằm

ngang của lò một góc nào đó tuỳ theo vị trí đặt lỗ khoan.

Các lỗ khoan tháo khí theo hƣớng xiên lên hoặc xiên xuống thƣờng

đƣợc áp dụng trong các giai đoạn trƣớc khi khai thác và sau khi khai thác.

Các lỗ khoan theo hƣớng xiên lên thƣờng áp dụng để tháo khí Mêtan và

các khí đồng hành tích tụ ở khu vực đã khai thác nhằm giảm sự xâm nhập của

khí từ khu vực đó vào khu vực lò đang khai thác. Sơ đồ bố trí lỗ khoan tháo

khí theo hƣớng xiên lên ở vùng phá hoả sau khi khai thác xem hình 1.7.

Hình 1.7. Sơ đồ các lỗ khoan theo hƣớng xiên lên tháo khí

ở khu vực đã phá hoả sau khi khai thác

A - Khu vực đã phá hoả sau khi khai thác; B,C,D – Vị trí các lỗ khoan

tháo khí theo hƣớng xiên lên ở khu vực phá hoả sau khi khai thác

1.2.2.2. Các lỗ khoan ngang tháo khí

Các lỗ khoan ngang đƣợc áp dụng rộng rãi để tháo khí trong hầm lò. Vị

trí các lỗ khoan ngang đƣợc bố trí từ gƣơng lò dọc vỉa than; từ hông lò xuyên

vỉa hoặc từ các lò chuẩn bị, các lò vận tải vào những khu vực sẽ khai thác

hoặc khu vực lân cận vùng sẽ khai thác.

Chiều dài và hƣớng các lỗ khoan ngang từ các đƣờng lò vào khu vực

cần tháo khí đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện thực tế của khu vực sẽ khai thác. Hƣớng lỗ khoan ngang thƣờng hợp với trục đƣờng lò từ 50 – 100

theo phƣơng nằm ngang, chiều dài lỗ khoan từ 300m - 500m. Khí đƣợc tháo

trong khoảng thời gian dài để giảm hàm lƣợng khí trong các khu vực trƣớc

khi tiến hành khai thác.

Các lỗ khoan ngang tháo khí tiến trƣớc ở các khu vực sẽ đƣợc khai thác

thƣờng bố trí ở lò vận tải hoặc ở các lò xuyên vỉa, khoan vào khu vực phía

trƣớc theo hƣớng gƣơng lò khai thác (hình 1.8). Các lỗ khoan này có chức

năng tháo khí từ các vỉa than trƣớc khi đƣa vào khai thác. Vị trí, chiều dài lỗ

khoan và cấu trúc lỗ khoan đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào vị trí cần tháo khí,

chiều dài khu vực khai thác.

Hình1.8. Các lỗ khoan ngang tháo khí trƣớc khi khai thác

1- các lỗ khoan ngang tháo khí ở khu vực sẽ khai thác; 2- các lỗ

khoan ngang ở khu vực lân cận vùng khai thác

Chiều dài các lỗ khoan trong hầm lò đƣợc chia thành 3 nhóm: Nhóm lỗ

khoan ngắn từ 15m - 50m; nhóm lỗ khoan trung bình từ 50m-150m; nhóm lỗ

khoan dài từ 150m và lớn hơn. Ở các mỏ than hầm lò của Nhật Bản, của

Trung Quốc chiều dài các lỗ khoan tháo khí từ 30m - 700m [22, 23]. Ở Úc đã

khoan các lỗ khoan ngang dài 1500 m dọc theo vỉa than để thu hồi khí Mêtan

trong các mỏ than khai thác hầm lò [22].

Các lỗ khoan ngang tháo khí trong quá trình khai thác thƣờng đƣợc bố

trí theo kiểu dải quạt ở các gƣơng lò khai thác hoặc khu vực lân cận (hình

1.9). Chiều dài các lỗ khoan từ 15m - 30m.

Hướng khai thác

Hình 1.9. Các lỗ khoan ngang tháo khí bố trí theo dạng dải quạt

ở gƣơng lò trong quá trình khai thác

Sơ đồ tổng thể bố trí các lỗ khoan tháo khí Mêtan trong hầm lò đƣợc

Khí Mêtan đƣợc thu hồi

LK ngang trong vỉa than

LK theo hƣớng xiên lên

LK xiên xuống

Mạng lƣới các LK tháo khí Mêtan

Khí Mêtan thoát vào khu vực đã khai thác

mô tả ở hình 1.10.

Hình 1.10. Mô hình sơ đồ tổng thể các lỗ khoan tháo khí trong hầm lò

1.2.3. Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo và thu hồi khí Mêtan trong hầm

lò

Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo khí Mêtan trong mỏ hầm lò lần đầu

tiên đƣợc áp dụng vào năm 1943 ở mỏ than Pure (Đức) và ở Nga vào năm

1952. Đến năm 1970 đã có 518 mỏ của 15 nƣớc áp dụng công nghệ khoan

tháo và thu hồi khí trong các mỏ khai thác hầm lò. Đến năm 2010 [34], tổng

khối lƣợng khí Mêtan thu hồi trung bình hàng năm trên thế giới bằng phƣơng pháp khoan là 75-80 tỷ m3; trong đó: Mỹ 54 tỷ m3, Canađa- 7,5 tỷ m3; Trung Quốc – 5,8 tỷ m3 và Úc – 5,5 tỷ m3.

Phƣơng pháp khoan xoay bằng mũi khoan kim cƣơng, hợp kim, bằng

choòng chóp xoay đƣợc áp dụng rộng rãi trong khoan tháo khí Mêtan ở các

mỏ khai thác than hầm lò. Ở Nhật Bản đã áp dụng rộng rãi phƣơng pháp

khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn trong đá vách để tháo và thu hồi khí

Mêtan ở các mỏ Taiheiyo, chiều dài lỗ khoan 500m-700m, đƣờng kính khoan

76mm. Ở Úc đã khoan các lỗ khoan ngang dài 600m đƣờng kính 93mm qua

các tầng đá vách để tháo khí ở các khu vực, các vỉa than trƣớc khi đƣa vào

khai thác.

Ở Úc, Nga và Nhật Bản, khi khoan các lỗ khoan ngang dài 600m-700m

để tháo khí Mêtan trong các vỉa than đã sử dụng các phƣơng tiện kỹ thuật

định hƣớng (Directional Drill Monitor) điều khiển hƣớng đi của lỗ khoan; sử

dụng hệ thống dẫn hƣớng khoan (Drill Guidance System - DGS). Các hệ

thống này cho phép giám sát góc phƣơng vị và điều chỉnh hƣớng lỗ khoan

theo qui đạo thiết kế. Mặc dù hệ thống giám sát hƣớng lỗ khoan có nhiều ƣu

điểm, song để mở rộng phạm vi áp dụng cần nghiên cứu phƣơng pháp giữ ổn

định thành lỗ khoan ngang và thiết lập cơ chế làm việc ổn định của bộ dụng

cụ phù hợp với các điều kiện địa chất và khai thác khác nhau.

Thiết bị dùng khoan trong hầm lò là các thiết bị khoan xoay, khoan

xoay- đập có nhiều dải tốc độ, có khả năng kết hợp nhiều phƣơng pháp khoan

khác nhau trong các loại đá có độ cứng khác nhau. Hệ thống truyền áp lực cho

dụng cụ phá huỷ đá bằng thuỷ lực hoặc khí nén. Đầu máy khoan có khả năng

điều chỉnh các hƣớng khoan khác nhau. Động cơ dẫn động cho máy khoan

làm việc là các loại động cơ thuỷ lực, động cơ khí nén hoặc động cơ điện

phòng nổ.

Chế độ công nghệ khoan ngang cũng đƣợc lựa chọn tƣơng tự nhƣ

khoan thẳng đứng. Đặc điểm công nghệ khoan ngang là tổn thất tải trọng

chiều trục truyền cho dụng cụ phá huỷ đá do tăng trọng lƣợng cột cần khoan

trong quá trình khoan. Để khắc phục hiện tƣợng này, tuỳ theo điều kiện địa

chất cụ thể và thiết bị khoan, có thể áp dụng phƣơng pháp khoan xoay – đập

bằng cơ cấu đập đỉnh hoặc búa đập tại đáy.

Cấu trúc lỗ khoan tháo khí trong hầm lò đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào

vị trí tháo khí, hƣớng lỗ khoan. Nói chung cấu trúc lỗ khoan càng đơn giản

càng giảm lƣợng ống chống lắp đặt trong lỗ khoan.

Đối với các lỗ khoan tháo khí lâu dài thƣờng đặt ống lọc thu hồi khí

trong toàn bộ thân lỗ khoan (hình 1.11). Ống chống đƣợc trám xi măng giữ ổn

định thành lỗ khoan và giữ cho khí không bị rò rỉ ra phía bên ngoài ống.

Miệng ống lắp đặt thiết bị đo kiểm áp suất, van xả... và nối với ống dẫn khí

lên mặt bằng mỏ.

Hình 1.11. Cấu trúc lỗ khoan ngang tháo khí

1- thành lỗ khoan; 2- ống lọc thu khí; 3- ống chống; 4- nút bịt kín miệng ống

chống và thành lỗ khoan; 5- van khống chế; 6- thành lò; 7- xi măng trám.

1.3. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở

Việt Nam

Trƣớc những năm 1985, Liên đoàn Địa chất 9 (nay là Công ty Địa chất

Mỏ-Vinacomin) đã nghiên cứu khí Mêtan và các loại khí đồng hành trong các

vỉa than. Nhiệm vụ nghiên cứu đã tập trung xác định định lƣợng và định tính

của khí Mêtan và các loại khí thiên nhiên có trong các vỉa than ở vùng mỏ

Quảng Ninh thông qua mẫu khoan than ở các giai đoạn thăm dò sơ bộ, thăm

dò tỷ mỷ. Các kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ nguồn gốc, thành phần và

qui luật phân bố khí Mêtan cũng nhƣ các loại khí thiên nhiên khác trong trầm

tích chứa than ở Quảng Ninh. Khí Mêtan là thành phần chủ yếu trong các vỉa

than, hàm lƣợng biến đổi từ 0% đến 99%, trung bình khoảng 40%; trong đá

bao quanh từ 0,5% đến 86,6%. Hàm lƣợng khí Mêtan tăng dần theo chiều

sâu và phân bố không đồng đều ở mỏ than vùng Quảng Ninh: Mỏ than Kế

Bào thay đổi từ 29% - 90%, trung bình 70%. Các mỏ than ở khu vực Hòn

Gai- Cẩm Phả từ 0% - 52%, trung bình 50%. Ở khu vực Uông Bí - Mạo Khê

từ 2,6% đến 52%, trung bình 30% (hình 1.12).

Hình 1.12. Bản đồ phân bổ khí Mêtan ở vùng Quảng Ninh

Đến năm 2002, với sự trợ giúp của chính phủ Nhật Bản ngành than

Việt Nam đã thành lập Trung Tâm An toàn mỏ với mục đích nghiên cứu khí

Mêtan, phân loại các mỏ than hầm lò theo mức độ nguy hiểm về khí Mêtan và

xây dựng hệ thống kiểm soát khí Mêtan trong các mỏ than hầm lò. Năm 2003,

đã quy hoạch tổng thể, phân loại mỏ hầm lò theo mức độ nguy hiểm về khí

Mêtan và dự báo trữ lƣợng khí Mêtan ở một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

khi khai thác tới mức - 400m.

Một trong các giải pháp tích cực chủ động để tháo và thu hồi khí Mêtan

ở các mỏ than hầm lò là phƣơng pháp khoan [4, 6]. Vì vậy, từ năm 2003 một

số mỏ than hầm lò ở vùng than Quảng Ninh đã tiến hành thử nghiệm khoan

các lỗ khoan tháo khí, lấy mẫu khí để phân tích thành phần và hàm lƣợng khí

Mêtan trong các vỉa than ở các mỏ than khai thác hầm lò. Đặc biệt, tại gƣơng

lò vỉa 9Đ cánh Bắc ở mức -80 đã khoan ba lỗ khoan ngang dài 65m-70m

trong vỉa than để tháo khí trƣớc khi tiến hành khai thác. Các lỗ khoan tháo khí

tại gƣơng lò vỉa 9Đ đƣợc khoan bằng thiết bị HR-1500. Kết quả quan trắc

lƣợng khí thoát ra từ lỗ khoan cho thấy, trong thời gian 10 ngày đầu lƣợng khí thoát ra từ lỗ khoan dao động từ 0,15m3/ph đến 0,35m3/ph; sau đó qua 15 ngày lƣu lƣợng khí chỉ còn 0,001m3/ph đến 0,0012m3/ph. Nhƣ vậy, lƣu lƣợng

khí thoát ra từ lỗ khoan đã giảm dần theo thời gian. Sau 30 ngày quan trắc thì

không còn thấy khí thoát ra từ lỗ khoan.

Tiếp theo, năm 2004 mỏ Mạo Khê đã khoan thử nghiệm lỗ khoan dài 107m tháo khí trong vỉa than 9T mức -80. Lỗ khoan theo hƣớng xiên lên 470

so với phƣơng nằm ngang. Kết quả quan trắc cho thấy lƣợng khí thoát ra từ vỉa than trong 5 ngày đầu đạt 0,002m3/s đến 0,0025m3/s. Sau đó 10 ngày, lƣu lƣợng khí thoát ra từ lỗ khoan đã giảm một cách rõ rệt, chỉ đạt 0,0008m3/s đến 0,001m3/s.

Các lỗ khoan tháo khí nhƣ đã trình bày ở trên chỉ có tính giải quyết tức

thời phục vụ cho công tác khai thác, đồng thời cũng là các lỗ khoan thí

nghiệm để đánh giá kết quả tháo khí Mêtan bằng hệ thống lỗ khoan. Hiện nay,

mỏ Mạo Khê đang nghiên cứu áp dụng các lỗ khoan dài đến 300m - 500m

khoan qua đá vách để tháo và thu khí lâu dài trong các vỉa than ở các khu vực

chuẩn bị khai thác bằng công nghệ lò chợ cơ giới hoá và chèn lò thuỷ lực.

Các thiết bị dùng khoan ở mỏ Mạo Khê là các thiết bị khoan xoay dẫn

động bằng động cơ khí nén nhƣ thiết bị khoan PPn-2; HR-1500; thiết bị

khoan XJ-100; ZIF-300; thiết bị khoan xoay - đập dẫn động bằng động cơ

thuỷ lực RPD-75SL. Các máy khoan dùng khoan trong hầm lò đòi hỏi phù

hợp với kích thƣớc hầm lò, gọn nhẹ, đảm bảo vận chuyển dễ dàng.

Năm 2011, tại mỏ than Khe Chàm đã tiến hành khoan các lỗ khoan

chùm tháo khí Mêtan theo hƣớng xiên lên tại lò chợ 13.1.1 vỉa 13.1 (hình 1.13

và hình 1.14). Các lỗ khoan dài 80m đƣợc bố trí khoan theo hƣớng xiên lên từ

nóc lò dọc vỉa thông gió qua các tầng đá đến vùng chứa khí để tháo khí trong

khoảng không gian đã khai thác.

Hình 1.13. Sơ đồ các lỗ khoan xiên lên tháo khí ở mỏ than Khe Chàm

Hình 1.14. Sơ đồ bố trí các cụm lỗ khoan tháo khí ở mỏ than Khe Chàm

Các trạm khoan bố trí cách nhau 50m. Mỗi trạm gồm 4 lỗ khoan, tổng

số 12 lỗ khoan. Kết quả quan trắc cho thấy, hỗn hợp khí thu hồi từ 12 lỗ

khoan tháo khí là 2,8m3/ph (tƣơng đƣơng 4032m3 /ngày-đêm); trong đó hàm

lƣợng khí Mêtan chiếm 46%.

Thiết bị dùng khoan là thiết bị khoan xoay của Balan kiểu WDP-1C

dẫn động bằng động cơ khí nén; cho phép khoan theo hƣớng xiên lên bằng

đƣờng kính 65mm.

Từ các kết quả nghiên cứu của chƣơng 1, ta có một số nhận xét nhƣ sau:

1. Phƣơng pháp khoan tháo và thu khí Mêtan trong hầm lò là một trong

các phƣơng pháp tích cực, chủ động để ngăn ngừa các sự cố do khí Mêtan gây

ra; đồng thời cũng thu đƣợc nguồn nguyên liệu dùng làm khí đốt cho công

nghiệp và dân sinh. Căn cứ vào điều kiện địa chất mỏ, công nghệ khai khai

thác và kế hoạch khai thác, các mỏ than có thể lựa chọn các công nghệ khoan

khác nhau để tháo khí Mêtan trong hầm lò.

2. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí ở

các mỏ than khai thác hầm lò nói chung và ở mỏ than Khe Chàm, Mạo Khê

nói riêng mới chỉ ở giai đoạn đầu, chƣa có công trình nghiên cứu khoa học

nào đƣợc công bố. Vì vậy, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ hợp lý khoan

các lỗ khoan tháo khí phù hợp với điều kiện địa chất ở mỏ Mạo Khê nói riêng

và ở các mỏ than khai thác than hầm lò ở vùng Quảng Ninh nói chung là rất

cần thiết, rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

CHƢƠNG 2

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

2.1. Đặc điểm địa chất và tính chất cơ lý đá

2.1.1. Đặc điểm cấu trúc địa tầng

Địa tầng khu mỏ Mạo Khê thuộc địa tầng trầm tích than Quảng Ninh và

đƣợc chia thành hai khối rõ rệt [15].

2.1.1.1. Địa tầng khối Bắc:

Địa tầng khối Bắc chứa 55 vỉa than trong đó 40 vỉa có trữ lƣợng công

nghiệp và chia thành các tập:

2) gồm 22 vỉa than, trong đó có 18 vỉa

- Tập chứa than dƣới (T3n-r hg1

than có trữ lƣợng công nghiệp.

2) phân bố rộng và chiếm phần lớn diện

- Tập chứa than giữa (T3n-r hg2

tích khối Bắc, kéo dài suốt từ Tây sang Đông; chứa 23 vỉa than, trong đó có

19 vỉa có trữ lƣợng công nghiệp.

Các vỉa than ở khối Bắc tƣơng đối thoải, góc dốc trung bình từ 200 đến

250 .

Trầm tích của tập chứa than dƣới và giữa bắt đầu là trầm tích sạn hạt

thô hoặc cuội kết,sau đó chuyển dần sang cát kết hạt thô đến hạt mịn, rồi đến

bột kết, sét kết, sau cùng là các vỉa than hoặc sét than; quá trình này đƣợc lặp

đi lặp lại trong trong địa tầng trầm tích khu mỏ; sạn và cuội kết chiếm 40%,

3) gồm 10 vỉa than trong đó 4 vỉa có giá

cát kết chiếm 30%, bột kết chiếm 20%, sét kết chiếm 5%, than 5%.

- Tập chứa than trên (T3 n-r hg2

trị trữ lƣợng công nghiệp.

2.1.1.2. Địa tầng khối Nam:

Địa tầng phía Nam chứa 41 vỉa than trong đó 39 vỉa than có giá trị trữ

lƣợng công nghiệp. Thành phần địa tầng bao gồm các lớp đá cuội sạn kết

chiếm 3,5%, cát kết chiếm 46%, bột kết chiếm 30%, sét kết chiếm 10%, sét

than và than chiếm 10%.

2.1.2. Đặc điểm kiến tạo và hệ thống đứt gãy

Đặc trƣng về kiến tạo khu mỏ là các uốn nếp và phay phá đứt gẫy.

Toàn bộ khu mỏ gồm 18 đứt gẫy lớn, nhỏ; chủ yếu theo đƣờng phƣơng của

vỉa, một số đứt gẫy cắt chéo theo hƣớng Tây Nam. Các đứt gẫy đã phân khu

mỏ thành hai khối có cấu tạo địa chất khác nhau. Đất đá trong khu vực phay

phá, đứt gẫy bị phá huỷ mạnh; chiều rộng đới phá huỷ khác nhau, trung bình

vài chục mét. Các khe nứt trong đới phay phá, đứt gẫy và xung quanh đã tạo

thành khu vực chứa nƣớc, chứa khí; các kênh dẫn nƣớc, dẫn khí mỏ [8, 15].

Mức độ phay phá, đứt gẫy, nứt nẻ của đá ở mỏ Mạo Khê đƣợc chia

thành 4 loại từ rất yếu đến rất mạnh; đặc tính phong hoá, nứt nẻ ở mỏ Mạo

Khê theo mẫu khoan ở các lỗ khoan thăm dò (bảng 2.1) giảm dần theo chiều

sâu [8, 15].

Bảng 2.1. Mức độ phong hoá, nứt nẻ đá ở mỏ Mạo Khê

Đặc điểm mẫu đá Mức độ phong hoá Độ sâu, m Hệ số nứt nẻ theo mẫu đá, %

Rất mạnh 1 - 5 1 - 4 Liên kết rời rạc, vật liệu gắn kết phá huỷ mạnh

Mạnh 5 - 100 0,5 - 1

Khe nứt phát triển mạnh, khe nứt lấp đầy ôxýt sắt, thạch anh, dễ đập vỡ

Yếu 100 - 200 0,2 - 0,5 Khe nứt lấp đầy ôxýt sắt, thạch anh

Rất yếu 200 - 400 0,15 - 0,04 Mặt khe nứt có dấu hiệu ôxýt sắt, thạch anh.

Theo các kết quả nghiên cứu [8], do ảnh hƣởng của kiến tạo, trong các

lớp đá hạt thô nhƣ cuội kết, cát kết, sạn kết thƣờng tồn tại 3 – 4 hệ khe nứt

nguyên sinh. Các khe nứt này đƣợc hình thành trong quá trình biến động địa

chất do tác dụng của lực co giãn, nén ép 3 chiều. Một hệ song song theo mặt

lớp, hai hệ vuông góc với mặt lớp, trong đó một hệ dọc đƣờng phƣơng và một

hệ dọc hƣớng dốc tạo nên các khối đá lập phƣơng kích thƣớc nhỏ từ 10cm –

50cm. Ngoài ra, trong từng khu vực còn tồn tại các hệ khe nứt kiến tạo. Các

khe nứt trong khối đá là các kênh vận động của khí Mêtan, các loại khí đồng

hành khác xâm nhập vào hầm lò khai thác.

Ngoài hệ khe nứt nguyên sinh, trong các đƣờng lò khai thác còn xuất

hiện hệ khe nứt do tác động nổ mìn phá huỷ đá trong quá trình khai thác. Các

khe nứt này tạo thành do lực kéo dãn khi khối đá dịch chuyển biến dạng; các

khe nứt thƣờng có kích thƣớc khác nhau và hƣớng vuông góc với mặt phân

lớp.

Hệ thống khe nứt và kích thƣớc khe nứt không những ảnh hƣởng lớn tới

bền vững của thành lỗ khoan; tới độ bền vững vách lò mà còn tạo thành các

kênh dẫn khí, dẫn nƣớc mỏ.

2.1.3. Tính chất cơ lý đá

Các kết quả nghiên cứu địa chất cho thấy cấu trúc địa tầng mỏ Mạo

Khê cũng tƣơng tự nhƣ cấu trúc địa tầng vùng mỏ Quảng Ninh. Các nham

thạch phân bố theo lớp và chuyển tiếp theo qui luật chung. Các lớp sét than,

sét kết, bột kết nằm sát vỉa than và tạo thành vách, trụ vỉa than; nằm xa vỉa

than là các lớp cát kết, sạn kết, cuội kết.

Cuội – sạn kết đƣợc phân bố rải rác trong địa tầng thƣờng cách xa vỉa

than, đá có màu xám sáng, thành phần hạt thạch anh màu trắng; xi măng gắn

kết là sét, silíc. Tầng cuội – sạn kết phân lớp không rõ; chiều dày không ổn

định, có chỗ tới 70m. Tầng cuội – sạn kết chiếm tỷ lệ khoảng 7% chiều dày

địa tầng mỏ.

Cát kết đƣợc phân bố khá phổ biến trong khu mỏ, chiếm khoảng 32%

chiều dày địa tầng, đá có màu xám sẫm đến xám sáng, thành phần hạt cát

thạch anh, sét, biôtít muscôvit; cấu tạo phân lớp dày, độ hạt từ trung đến thô,

ranh giới chuyển tiếp không rõ ràng. Chiều dày thay đổi, có chỗ lên tới 100m.

Sạn kết, cát kết là đá bền vững nhất có trong khu mỏ.

Bột kết là địa tầng khá phổ biến trong khu mỏ, chiếm khoảng 38%

chiều dày địa tầng; bột kết có màu xám tối, cấu tạo phân lớp rõ, có chỗ phân

lớp mỏng; thƣờng hay gặp ở vách, trụ vỉa than. Ranh giới chuyển tiếp với cát

kết không rõ ràng. Chiều dày lớp thay đổi, có chỗ lên tới 100m. Cùng với cát

kết, bột kết thƣờng gặp ở vách trực tiếp của các vỉa than.

Sét kết thƣờng gặp ở gần vách, trụ và trong vỉa than, chiếm khoảng

11%. Sét kết màu xám đen, cấu tạo lớp mỏng, chiều dày không ổn định,

thƣờng từ vài cm đến 1- 2m. Sét kết thƣờng là vách giả, dễ bị sập lở hoặc bị

kéo theo than trong quá trình khai thác.

Tính chất cơ lý đá đặc trƣng cho các loại nham thạch ở mỏ than Mạo

Khê đƣợc trình bày ở bảng 2.2 [8].

B¶ng 2.2. TÝnh chÊt c¬ lý ®Æc tr ng cho c¸c lo¹i ®¸ ë má than hÇm lß M¹o Khª [5, 8]

Khối lƣợng riêng, g/cm3 TT Loại đất đá Góc ma sát trong,  độ Độ bền nén, MPa Độ bền kéo, MPa Mođun đàn hồi E.105 MPa Hệ số poat- xông, 

< 2 2,25- 2,55 13 - 20 - - 1  10

- - 12 - 20 1,5 - 3,0 2,42 - 2,51 15 - 22 2

15 - 35 2 - 5 0,01 - 0,09 0,02 - 0,09 2,23 - 2,58 25 - 33 3

20 - 60 2,7 - 7 0,05 - 0.1 0,15 - 0,09 2,45 - 2,60 21 - 30 4

27 - 73 5 - 8 0,07 - 0,12 0,1 - 0,26 2,51- 2,62 25 - 33 5

Sét kết màu xám đen mềm, bở, dễ hoá dẻo khi gặp nƣớc Sét than màu đen, phân lớp mỏng, dễ vỡ vụn Sét kết màu xám đen Bột kết phân lớp mỏng kẹp các chỉ than Bột kết phân lớp mỏng Bột kết phân lớp dầy 42 - 90 5 - 9 0,08 - 0,13 0,08 - 0,22 2,53 - 2,67 31 - 35 6

Cát kết hạt mịn 103 - 238 7,7 - 12,4 0,12 - 0,19 0,07 - 0,18 2,55 - 2,67 33 - 36 7

Cát kết hạt trung 100 - 172 8,2 -15,8 0,13 - 0,27 0,07 - 0.18 2,54 - 2,62 33 - 36 8

Cát kết hạt thô 9 10 Cuội - sạn kết 105 - 126 115 - 156 8 - 11 5,5 - 12,6 0,02 - 0,13 0.09 - 0,29 0,02 - 0,13 0,06 - 0,24 2,53 - 2,66 2,59 - 2,60 31 - 39 38 - 39

2.2. Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê

Các vỉa than ở mỏ Mạo Khê đều thuộc loại than biến chất cao; màu sắc

của than biến đổi từ màu đen đến màu đen xám. Than tƣơng đối rắn chắc, độ

cứng của than theo cấp độ khoan từ III-V; độ cứng theo cấp độ f thƣờng lớn hơn 2; trọng lƣợng riêng 1,55 – 1,70 g/cm3. Khoáng vật thƣờng gặp trong

mẫu than là sét arghilit, oxit silic.

Chiều dày trung bình các vỉa than từ 1,38 m- 5,5 m; các vỉa than ở khối Bắc tƣơng đối thoải, góc dốc trung bình từ 200 đến 250. Các vỉa than ở khối Nam tƣơng đối dốc, độ dốc trung bình dao động từ 450 đến 600; có một số vỉa góc dốc đạt tới 700 -800.

Kết quả nghiên cứu mức độ phong hoá và biến chất của than Mạo Khê

cho thấy các vỉa than thuộc loại phong hoá mạnh, than bị vò nhàu,nứt nẻ do

ảnh hƣởng của phay phá đứt gẫy [5, 15]. Các khe nứt thể hiện rất rõ trên bề

mặt mẫu than (hình 2.1). Các khe nứt phát triển không đồng đều, không theo

một phƣơng nhất định; độ mở khe nứt cũng khác nhau; trong các khe nứt mở

có các lớp khoáng vật trắng, mỏng. Chiều rộng khe nứt trên mẫu than dao

động từ 1-5mm, ở một số mẫu còn phát hiện các hốc khe nứt, bề rộng khe nứt

xung quanh hốc nứt đạt tới 10-15mm (hình 2.1,c.MK-4). Các khe nứt này dễ

bị tách, khi có ngoại lực tác động, đây là điều kiện thuận lợi để tích tụ khí và

tạo thành các kênh dẫn khí trong các vỉa than.

Độ mở khe nứt phụ thuộc độ thẩm thấu khí trong vỉa than đƣợc xác

định theo công thức sau [12, 36]:

(2.1)

K - độ thẩm thấu của khí Mêtan trong tầng than, cm2; Nhƣ vậy độ thẩm

thấu của khí càng nhỏ, độ mở khe nứt càng nhỏ. Các vỉa than nằm sâu, càng

nén chặt thì độ thẩm thấu khí càng nhỏ.

Hình 2.1. Khe nứt thể hiện trên bề mặt mẫu than ở mỏ Mạo Khê

Độ mở khe nứt là một chỉ tiêu không chỉ dùng đánh giá sự phức tạp

trong khoan mà còn đánh giá khả năng dẫn khí Mêtan từ các vỉa than và các

tầng chứa khí bao quanh lỗ khoan vào lỗ khoan. Căn cứ vào độ mở khe nứt

các chuyên gia [36] chia thành các kênh dẫn: kênh dẫn cực đại với độ mở khe

nứt  > 0,5mm; kênh dẫn trung bình với kích thƣớc  = 0,5 – 0,002mm và

kênh dẫn nhỏ  = < 0,002mm.

Kết quả nghiên cứu [2, 5, 15] về thành phần hoá học của than Mạo Khê

cho thấy: các vỉa than ở khu vực Mạo Khê thuộc loại than không khói. Các

thành phần nguyên tố hóa học đều tƣơng đối ổn định. Hàm lƣợng trung bình

chất bốc (Vch) từ 3.5-6.0%; Các bon (C) 91-94%; Hydro (H) 2-3%; trị số hàm

lƣợng trung bình (Wpt) của than từ 3.4-5.5% .

Hàm lƣợng lƣu huỳnh chung (Skchg) của các vỉa than nhỏ hơn 1% ; trị

số trung bình từ 0.5 – 0.7% thuộc loại than lƣu huỳnh thấp. Hàm lƣợng

phốtpho (Pk) trong than tƣơng đối ít, sự biến đổi Pk phần lớn nằm trong phạm

vi 0.001-0.09%, trung bình 0.013%, thuộc loại than phèt pho thấp.

Nhiệt lƣợng (Qk) trong than biến đổi trong khoảng 5000-7600kCal/kg,

trị số trung bình khoảng 6000-6800kCal/kg. Nhiệt độ cháy của than từ 375 – 3900C.

2.3. Hiện trạng khai thác than và tình trạng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

2.3.1. Hiện trạng khai thác than ở mỏ Mạo Khê

Trƣớc năm 1945, ngƣời Pháp đã khai thác lò bằng, lò nghiêng theo vỉa, giếng nông tại các vỉa than 10 (TVIII - T.IXA); V9A (T.VII - IX); V9B (T.IB - T.IC); V8CN (T.VIIIA - T.IX); V1 (T.XIIA - T.XIIIA). Từ năm 1954, mỏ Mạo Khê đƣợc khai thác lò bằng ở các vỉa than V3, V5, 6, 7, 8, 9, 9B và V10 từ

mức +30 trở lên. Từ năm 1988, mỏ Mạo Khê đào giếng nghiêng mức -25/+30

từ vỉa 5 đến vỉa 10 cánh Bắc. Từ năm 1993, mỏ Mạo Khê đào lò mức -80 và đang khai thác các vỉa than ở V8, V9, V9B cánh Bắc -80/-25. Từ năm 2004,

mỏ Mạo Khê đào lò chuẩn bị mức -150 cánh Nam. Hiện tại mỏ đang khai

thác ở mức -150/-80.

Hiện nay, mỏ than Mạo Khê đang tiến hành khai thác ở cánh Bắc gồm các vỉa 9b Tây, mức -80/-25; V8 Tây, mức -80/+30; V8 Đ mức -150/-80, V7

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

Ở cánh Nam gồm vỉa 8 CN–ĐN II, mức –80/ LV; V.8 CN-ĐN I, mức –

80/+25.

Các đƣờng lò khai thác ở cánh Bắc mức –25/+30; -80/-25 nằm trong khu vực đồi núi cao. Trong phạm vi từ vỉa 6 đến vỉa 9b, cốt cao địa hình

khoảng +110 đến +250. Chiều sâu các đƣờng lò so với cốt cao địa hình dao

động từ 90 - 110m ở mức +30m; từ 135m - 165m ở mức -25m và từ 215m -

245m ở mức -80m.

Ở phía Nam, các đƣờng lò khai thác ở mức -80, -150 nằm trong địa

hình bằng phẳng với cốt cao địa hỡnh từ +10 đến +17m. Chiều sâu các đƣờng

lò so với cốt cao địa hình dao động từ 90m - 97m ở mức -80 và 160m - 167m

ở mức -150m.

Bản đồ hiện trạng các đƣờng lò khu vực cánh Bắc mức -80, cánh Nam

mức -80 và mức -150 khu mỏ Mạo Khê đƣợc thể hiện ở hình 2.2, hình 2.3 và

hình 2.4.

Theo kế hoạch khai thác của mỏ, đến năm 2015, công suất khai thác

hầm lò cần đạt tới 2,5 triệu tấn/năm. Để đạt đƣợc sản lƣợng đã đặt ra, mỏ than

Mạo Khê cần mở rộng diện khai thác sang cánh Nam và phát triển chiều sâu

khai thác xuống mức -180; -210m. Sản lƣợng đó khai thỏc và kế hoạch tính

đến năm 2015 của mỏ than Mạo Khê đƣợc tổng hợp nhƣ ở bảng 2.4 [1].

Bảng 2.3. Công suất khai thác của mỏ Mạo Khê từ năm 2010 đến năm 2015

Sản lƣợng than nguyên khai khai thác (1000T)

Công nghệ khai thác 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Hầm lò 1.900 2.000 2.100 2.350 2.400 2.500

Lộ thiên 250 250 200 0.0 0.0 0.0

2.150 2.250 2.300 2.350 2.400 2.500

Tổng

H×nh 2.2 HiÖn tr¹ng khai th¸c khu vùc c¸nh B¾c, møc -80 má than M¹o Khª

Hình 2.3. Hiện trạng khai thác cánh Nam, mức -80 mỏ than Mạo Khê

Hình 2.4. Bản đồ hiện trạng khai thác mức -150 mỏ than Mạo Khê

2.3.2. Đặc điểm về khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

Khí Mêtan và các loại khí khác đƣợc tạo thành trong quá trình phong

hoá các thành phần vật chất than dƣới tác dụng của áp suất và nhiệt độ và tồn

tại trong các vỉa than ở các dạng khác nhau. Theo kết quả nghiên cứu của các

chuyên gia trong và ngoài nƣớc [1, 4, 12, 22, 24, 35, 36], tuỳ theo từng điều

kiện tạo thành của mỏ mà khí tồn tại trong vỉa than và đá vách đƣợc chia

thành các dạng nhƣ sau:

- Khí tồn tại ở dạng tự do trong các khe nứt, lỗ hổng của vỉa than và đất

đá bao quanh vỉa. Trong trƣờng hợp này, vận động của khí và các loại khí

khác trong các khe nứt và lỗ hổng thƣờng tuân theo qui luật vận động tự nhiên

của khí.

- Khí tồn tại ở dạng bám dính, liên kết hóa lý bền vững và thƣờng tách

ra khỏi than khi có ngoại lực tác động nhƣ đập, nghiền,v.v... Trong trƣờng

hợp này, khí Mêtan và các loại khí khác chỉ xuất hiện ở gƣơng lò khi khai

thác.

- Khí tồn tại lẫn trong nƣớc ở các vỉa than trong các tầng đá ngậm

nƣớc, chứa nƣớc.

Khí mỏ và khí Mêtan ở các mỏ than vùng Quảng Ninh đƣợc nghiên cứu

chi tiÕt từ năm 2003. Kết quả nghiên cứu cho thấy [1, 2] mỏ than Mạo Khê

thuộc loại mỏ nguy hiểm về khí Mêtan với độ thoát khí tƣơng đối 15,58 m3/T.ng.đ.

Kết quả khảo sát và nghiên cứu khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê theo các mức

khai thác cho thấy càng xuống sâu trữ luợng khí trên một tấn than khai thác

càng lớn (bảng 2.4). Mỏ Mạo Khê là một trong các mỏ than khai thác hầm lò

có trữ lƣợng khí Mêtan lớn nhất, chiếm gần một phần ba tổng trữ lƣợng của

các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh [3, 4].

Các kết quả nghiên cứu về khí đã khẳng định phần lớn (đến 80% -90%)

khí Mêtan mỏ ở mỏ than Mạo Khê tồn tại trong vỉa than và trong đá bao

quanh ở dạng tự do trong các khe nứt, trong các hang hốc; trong than antraxit,

khí tồn tại ở dạng bám dính và chỉ tách ra khỏi than khi có tác động cơ học

trong quá trình khai thác nhƣ nổ mìn [3, 4, 5], v.v...

Các kết quả nghiên cứu của Alpern, Dumpleton; Beamish and Crosdale

[22, 24, 25, 36] cho thấy các vỉa than có độ thẩm thấu càng thấp thì nguy cơ

xẩy ra phụt khí càng cao; đồng thời ứng suất vỉa càng tăng thì độ thẩm thấu

khí càng giảm.

Độ thẩm thấu khí trong vỉa than tuân theo định luật Darcy [35, 36]:

(2.2)

trong đó: - độ thẩm thấu khí, m2; - lƣu lƣợng khí, m3/s; - độ nhớt động

của khí, Pa.s; - chiều dài mẫu, m; - áp suất khí quyển, Pa; - tiết diện

mẫu, m2; - áp suất đầu vào, Pa; -áp suất đầu ra, Pa;

Bảng 2.4. Độ chứa khí và trữ lƣợng khí ở mỏ than Mạo Khê theo chiều sâu

Mức Trữ lƣợng Trữ lƣợng

khảo sát than, Khí ở mức Độ chứa khí, m3/TKC

1000T T.bình Lớn nhất trung bình, (1000 m3)

Từ +100m đến 0m 3.304 0,31 1,26 1,024

Từ 0m đến -100m 15.321 2,82 6,27 43,205

Từ -100m đến - 200m 162.458 4,28 7,46 695,320

Từ -200m đến -300m 181.467 5,96 9,60 1,081,543

Cộng 1,821,093

Độ thoát khí Mêtan từ các vỉa than và các lớp đá bao quanh phụ thuộc

vào độ thẩm thấu của khí. Độ thẩm thấu của khí là chỉ tiêu cơ bản đánh giá

mức độ tháo khí và khả năng thu hồi khí, đồng thời cũng là một trong các chỉ

tiêu quan trọng quyết định việc lựa chọn sơ đồ và công nghệ tháo khí.

Độ thẩm thấu khí trong vỉa than phụ thuộc vào độ xốp, khe nứt, chiều

dày và chiều sâu của vỉa than. Mật độ khe nứt và độ rỗng của vỉa than càng

lớn, độ thẩm thấu của khí càng lớn thì lƣu lƣợng khí thoát ra càng lớn. Thực

tế cho thấy, khi khai thác các vỉa than ở khu vực bị phá hủy do kiến tạo địa

chất nhƣ đứt gẫy, vò nhàu, v.v... thƣờng xuất hiện lƣợng khí Mêtan và các

loại khí khác nhiều hơn lƣợng khí cho phép theo qui định về an toàn mỏ.

Đồng thời, càng xuống sâu độ thẩm thấu khí của các vỉa than càng nhỏ, đây là

một trong các nguyên nhân cơ bản tạo thành các túi khí và dẫn tới nguy cơ

bục khí trong quá trình khai thác.

Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy độ thẩm thấu khí tại các vỉa than

ở mỏ Mạo Khê dao động trong khoảng từ 0,01088 đến 0,1801mD [5] và càng

giảm khi ứng suất trong các vỉa than tăng.

Quá trình thoát khí Mêtan trong các mỏ than khai thác hầm lò là một

quá trình phức tạp, diễn ra theo nhiều cách khác nhau và phụ thuộc vào loại

lò, công nghệ khai thác; đặc điểm cấu trúc vỉa than, cấu trúc đá bao quanh, độ

thẩm thấu và đặc điểm tàng trữ khí trong vỉa than, trong đá bao quanh. Từ các

kết quả quan trắc thực tế cho thấy, khí Mêtan xâm nhập vào các đƣờng lò, vào

các khoảng không gian của mỏ từ lộ diện của vỉa than và đá bao quanh; từ các

gƣơng khấu than trong lò chợ và từ những vùng không gian đã khai thác.

Lƣợng khí Mêtan thoát ra từ than khai thác lò chợ xác định theo công

thức [35, 36]:

(2.3 )

trong đó: Qm - lƣợng khí Mêtan thoát ra từ than khai thác, m3/ph; Q- sản

lƣợng than khai thác lò chợ ngày đêm, T/ ngày- đêm; G0- độ chứa khí Mêtan trong vỉa than, m3/T.

Kết quả quan trắc thực tế và dự báo lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lò chợ

khi khai thác các vỉa than ở mỏ Mạo Khê đƣợc trình bày ở bảng 2.5 [2, 4].

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

Tên vỉa

Độ thoát khí thực tế (m3/T-ng.đêm) Độ thoát khí theo dự báo (m3/T-ng.đêm)

Max Trung bình Max Trung bình

Vỉa 9Đ 10.242 6,868 10,354 6.457

Vỉa 6Đ 2.725 1,01 1,121 0,859

Vỉa 6ĐMR 5.046 2.704 3,620 5,370

Vỉa 8ĐMR 1.759 1.007 1,589 0,989

Vỉa 9bĐ 3.537 1,037 2,018 0,954

Khí Mêtan và các loại khí đồng hành xâm nhập vào các đƣờng lò chuẩn

bị chủ yếu từ các đƣờng lò trong vỉa than. Trong trƣờng hợp này, vận động

của khí Mêtan thƣờng là quá trình tĩnh, đều đặn. Hàm lƣợng khí Mêtan xâm

nhập vào đƣờng lò nhỏ, không đáng kể. Khi các đƣờng lò đào qua khu vực

phay phá, đứt gẫy chứa khí Mêtan, hoặc khu vực đá nứt nẻ chứa khí thƣờng

xẩy ra các vận động bất thƣờng của khí, đây là một trong các nguyên nhân

gây ra hiện tƣợng cháy hoặc nổ khí Mêtan.

Trong các đƣờng lò khai thác – quá trình thoát khí Mêtan là quá trình

động lực. Khí Mêtan xâm nhập vào đƣờng lò không những từ các gƣơng lò

đang khai thác mà còn từ các vùng lân cận nằm trong vùng giảm áp do ảnh

hƣởng của khai thác. Kích thƣớc các vùng giảm áp rất khác nhau phụ thuộc

vào đặc tính, cấu tạo địa tầng khu vực, công nghệ và tiến độ khấu than ở

gƣơng khai thác, các yếu tố khí động học của hệ thống thông gió. Bên cạnh

đó, các hoạt động khai thác mỏ, các hiểm hoạ bất thƣờng nhƣ cú đấm mỏ xuất

hiện trong khu vực khai thác cũng ảnh hƣởng lớn tới sự xuất hiện khí trong

các đƣờng lò khai thác.

Trong khu vực đã khai thác (vùng phá hỏa) – khí Mêtan xâm nhập vào

khu vực này từ hai phía: Từ các vỉa than nằm trong khu vực vùng phá hoả; từ

các lò đang hoạt động khai thác. Khí Mêtan xâm nhập vào khu vực đã khai

thác qua các khe nứt, khe rỗng tạo thành do hoạt động khai thác ở các khu vực

bao quanh. Khi xâm nhập vào vùng phá hoả khí sẽ tích tụ và tiếp tục xâm

nhập vào các khu vực lân cận trong quá trình khai thác tiếp theo. Trong điều

kiện cấu trúc địa chất phức tạp, có nhiều phay phá đứt gẫy thì khí Mêtan từ

khu vực đã khai thác xâm nhập vào khu vực đang khai thác có thể vƣợt quá

50% độ thoát khí tƣơng đối ở khu vực đang khai thác.

2.3.3. Các giải pháp an toàn phòng ngừa khí Mêtan xuất hiện trong lò

Nhƣ phần trên đã phân tích, khí Mêtan xâm nhập vào các đƣờng lò và

hoà trộn với khí thông gió trong qúa trình khai thác từ các nguồn khác nhau:

từ các vùng chứa khí qua các khe nứt; từ các gƣơng lò khai thác, v.v...

Hiện nay, ở mỏ Mạo Khê cũng nhƣ ở các mỏ than khai thác hầm lò

vùng Quảng Ninh đều áp dụng phƣơng pháp thông gió để làm giảm nồng độ

khí Mêtan và các loại khí độc khác trong hầm lò đến mức độ cho phép đảm

bảo an toàn cho khai thác.

Phƣơng pháp thông gió mỏ là phƣơng pháp truyền thống chỉ làm giảm

khí Mêtan và khí độc đến mức cho phép chứ không kiểm soát đƣợc khí Mêtan

xâm nhập vào các đƣờng lò. Chính vì vậy, phƣơng pháp này chỉ đạt hiệu quả

ở các mỏ nhỏ, công suất khai thác thấp, khó đạt hiệu quả cao ở các mỏ công

suất khai thác lớn bằng các phƣơng pháp công nghệ tiên tiến hiện đại.

Mỏ Mạo Khê hiện đang áp dụng hệ thống thông gió chính, hệ thống

thông gió khu vực và cục bộ. Hệ thống thông gió chính phục vụ cho các mức

khai thác -25/+30; mức -80/-25.

Thông gió khu vực và thông gió cục bộ phục vụ cho thi công các đƣờng

lò, gƣơng lò chuẩn bị.

Để thực hiện công việc thông gió, mỏ Mạo Khê đã sử dụng hệ thống

trạm thông gió trung tâm đặt ở mức +124 và +73. Với sơ đồ thông gió hiện

tại, mỏ Mạo Khê đảm bảo đƣợc an toàn khai thác, song khi mỏ xuống sâu cần

phải tăng cƣờng quạt và hệ thống đƣờng ống dẫn gió từ trên mặt đất, dẫn tới

chi phí nhiều cho đầu tƣ thiết bị và hệ thống thông gió.

Trong giai đoạn hiện nay, song song với việc áp dụng hệ thống hợp lý

thông gió, mỏ Mạo Khê đã và đang nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan tháo

khí Mêtan từ các vỉa than, hoặc từ các khu vực chứa khí Mêtan, khí độc khác.

Khi áp dụng công nghệ tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan sẽ đem lại các lợi

ích sau:

- Giảm thiểu tối đa nồng độ khí độc nhƣ Mêtan; CO2 và các loại khí

khác ở các gƣơng lò khai thác.

- Giảm bụi, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân do giảm tốc độ

thông gió ở các gƣơng lò khai thác.

- Giảm giá thành hoạt động hệ thống thông gió mỏ do giảm các thiết bị

và nhu cầu không khí để làm loãng khí độc trong mỏ.

- Chủ động kiểm soát khí, giảm thiểu sự cố bục khí và cháy nổ khí

Mêtan trong quá trình khai thác.

- Khí Mêtan thu hồi từ các lỗ khoan tháo khí sẽ là nguồn nhiên liệu

phục vụ cho nhu cầu nhân sinh và xã hội.

Từ các kết quả nghiên cứu, ta có thể rút ra một số nhận xét sau:

1. Địa tầng chứa than vùng mỏ Mạo Khê là địa tầng trầm tích bao gồm

các vỉa than, các lớp sét kết, sét than, bột kết, cát kết, sạn kết và cuội kết. Các

lớp nham thạch đƣợc phân bổ theo quy luật thứ tự và đƣợc lặp đi lặp lại trong

địa tầng chứa than.

2. Địa tầng than ở Mạo Khê có cấu trúc khá phức tạp và đƣợc chia

thành hai khối Bắc và Nam. Địa tầng khu mỏ bao gồm nhiều đứt gẫy, phá

huỷ; cấu trúc địa tầng khối Nam phức tạp hơn khối Bắc; tính chất cơ lý đá

thay đổi theo cấu trúc địa tầng. Các yếu tố này đã ảnh hƣởng không nhỏ tới

lựa chọn kỹ thuật - công nghệ khoan.

3. Mỏ than Mạo Khê thuộc loại mỏ nguy hiểm về khí Mêtan với độ thoát khí tƣơng đối 15,58 m3/T.ng. đ. Quá trình xuất lộ khí Mêtan trong các

mỏ than khai thác hầm lò là một quá trình phức tạp, diễn ra theo nhiều cách

khác nhau và phụ thuộc vào loại lò,công nghệ khai thác; đặc điểm cấu trúc vỉa

than, cấu trúc đá bao quanh, độ thẩm thấu; đặc điểm tàng trữ khí trong vỉa

than, trong đá bao quanh.

4. Hiện nay, ở mỏ than Mạo Khê đang áp dụng phƣơng pháp thông gió

mỏ truyền thống để làm giảm hàm lƣợng khí Mêtan và khí độc đến mức an

toàn cho phép. Phƣơng pháp này không kiểm soát đƣợc lƣợng khí Mêtan xâm

nhập vào các đƣờng lò. Chính vì vậy, phƣơng pháp này dần dần sẽ không phù

hợp khi mỏ khai thác suống sâu và áp dụng công nghệ tiên tiến để khai thác lò

chợ nhằm nâng cao năng suất.

CHƢƠNG 3

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ

THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ

Công nghệ khoan ngang trong hầm lò nói chung có các đặc tính riêng so

với công nghệ khoan các lỗ khoan ngang trên mặt đất. Điều kiện địa chất mỏ,

kích thƣớc đƣờng lò; điều kiện cung cấp năng lƣợng, nƣớc bơm rửa và mục

đích yêu cầu khoan v.v... đều ảnh hƣởng tới việc lựa chọn kích thƣớc, đặc tính

kỹ thuật thiết bị khoan; lựa chọn chế độ công nghệ khoan; công nghệ bơm rửa

lỗ khoan và gia cố lỗ khoan trong quá trình thi công.

Công nghệ khoan ngang là công nghệ khoan tăng tải, nén ép, lỗ khoan

dễ bị xiên lệch so với phƣơng nằm ngang. Trong lỗ khoan không có áp suất

cột dung dịch; phần trên thành lỗ khoan luôn luôn ở trạng thái dễ sập lở; mùn

khoan lắng đọng ở phần dƣới dọc theo thành lỗ khoan. Trong quá trình khoan,

cột cần khoan làm việc trong trạng thái nén và có xu hƣớng tỳ lên phần dƣới

của thành lỗ khoan; đồng thời tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan

cũng bị giảm do tăng trọng lƣợng cột cần theo chiều dài lỗ khoan và lực ma

sát. Đây là các đặc điểm rất cơ bản khác biệt so công nghệ khoan thẳng đứng.

3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang

3.1.1. Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá

Đặc điểm trong khoan ngang khác trong khoan thẳng đứng là cột cần

khoan luôn ở trạng thái nén. Khi bị nén, cột cần khoan bị uốn (hình 3.1).

Chiều dài cung uốn và chiều dài nửa bƣớc sóng bị khống chế bởi thành lỗ

khoan và tải trọng chiều trục. Từ hình 3.1 ta thấy chiều dài bƣớc sóng càng

ngắn, càng tăng số lƣợng điểm tiếp xúc lên thành lỗ khoan. Nhƣ vậy, sẽ tăng

lực ma sát, tăng mô men xoắn cột cần, dẫn tới tăng công suất quay cột cần

khoan, tổn thất tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan càng lớn.

Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang

R - phản lực của thành lỗ khoan tại các điểm tiếp xúc, N; Po- Tải trọng chiều

trục, N; l - khẩu độ uốn của cần khoan, m.

Chiều dài nửa bƣớc sóng và lực nén ép của cột cần khoan tại điểm

tiếp xúc ở thành lỗ khoan xác định theo công thức [29]:

(3.1)

(3.2)

trong đó: - chiều dài nửa bƣớc sóng, m; - chiều dài cột cần khoan, m; -

số lƣợng nửa bƣớc sóng; - lực ép của cột cần tại các điểm tiếp xúc, N; -

momen xoắn cột cần khoan, N.m.

Sự tổn thất tải trọng chiều trục Pt tác dụng lên mũi khoan phụ thuộc vào

lực R và đƣợc xác định theo công thức [29]:

(3.3)

trong đó: - lực ép của cần khoan lên thành lỗ khoan, N; - hệ số ma sát,

= 0,4-0,6. Lực ép cần khoan vào lỗ khoan phụ thuộc vào tải trọng chiều

trục, mômen uốn và khấu độ uốn của cần khoan trong lỗ khoan.

Tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan xác định theo công

thức sau:

(3.4)

trong đó: - tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan, N; - tải

trọng tối đa cho phép của đầu máy khoan và phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật

của máy khoan, N; - trọng lƣợng cần khoan, N; Pc đƣợc xác định nhƣ sau:

(3.5)

- trọng lƣợng riêng 1 mét cần, N/m; - chiều dài cột cần khoan hay chiều

dài lỗ khoan, m.

Thay các giá trị , từ biểu thức (3.3), (3.5) vào (3.4.) ta có:

(3.6)

Từ biểu thức (3.6) ta thấy phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của thiết

bị khoan và là đại lƣợng không thay đổi đối với từng loại máy khoan. Nếu

tăng chiều sâu khoan hoặc tăng trọng lƣợng cần khoan đều dẫn tới giảm tải

trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan.

Từ biểu thức (3.6) ta có thể xác định khả năng chiều dài khoan các lỗ

khoan ngang phù hợp với từng loại máy:

(3.7)

Sự tổn thất tải trọng chiều trục phụ thuộc vào chiều dài lỗ khoan ngang

khi thay đổi tốc độ quay cột cần khoan đƣợc trình bày ở hình 3.2. Các kết quả

nghiên cứu [22, 24, 28, 29] cho thấy sự phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục

vào chiều dài lỗ khoan không có tính chất tuyến tính; cƣờng độ tổn thất tải

trọng chiều trục phụ thuộc vào tốc độ quay cột cần khoan, khe hở giữa cột cần

khoan và đƣờng kính lỗ khoan. Khe hở càng nhỏ, cƣờng độ tổn thất càng nhỏ;

đồng thời khi tăng tốc độ quay cột cần khoan, sự tổn thất áp lực giảm.

Qua các kết quả phân tích ở trên, ta nhận thấy muốn tăng tải trọng

chiều trục truyền cho mũi khoan cần lựa chọn thiết bị phù hợp với điều kiện

khoan ngang và có khả năng truyền tải trọng chiều trục tối đa phù hợp với

chiều dài lỗ khoan. Lựa chọn cấu trúc lỗ khoan, đƣờng kính mũi khoan, cần

khoan một cách hợp lý để giảm momen uốn và tăng chiều dài khẩu độ uốn

cần khoan trong lỗ khoan

Hình 3.2. Sự phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục vào chiều dài lỗ khoan ngang

Dƣới tác dụng của tải trọng chiều trục, cột cần khoan bị uốn, lực ép của

cột cần khoan vào thành lỗ khoan (hình 3.3) có thể xác định theo công

thức:

(3.8)

trong đó: - góc hợp bởi giữa vectơ và và phụ thuộc vào cƣờng độ tải

trọng chiều trục truyền cho mũi khoan và số lƣợng điểm tiếp súc của cần

khoan với thành lỗ khoan.

Hình 3.3. Sơ đồ lực tác dụng lên thành lỗ khoan ngang

Ngoài ra, khi cột cần quay sẽ tạo ra lực ly tâm F1. Lực F1 xác định theo

công thức [28, 32]:

(3.9)

-trọng lƣợng riêng 1 mét cần khoan, N/m; - tốc độ quay cột cần khoan,

v/ph.; - chiều dài nửa bƣớc sóng; - đƣờng kính lỗ khoan, m; - đƣờng

kính cần khoan, m.

Từ các kết quả nghiên cứu trên, ta nhận thấy nếu tăng chiều dài lỗ

khoan , tăng trọng lƣợng cần khoan mà tải trọng tối đa cho phép của đầu

máy khoan không tăng sẽ dẫn đến triệt tiêu tải trọng chiều trục thực tế tác

dụng lên dụng cụ phá huỷ đá.

Nhƣ vậy, một trong các nguyên nhân cơ bản dẫn tới tổn thất tải trọng

chiều trục truyền cho mũi khoan trong khoan ngang là do tăng trọng lƣợng và

chiều dài cột cần khoan (tăng chiều sâu lỗ khoan) và lực ma sát trong quá

trình khoan; từ đó dẫn tới giảm tốc độ cơ học khoan khi tăng chiều dài lỗ

khoan.

3.1.2. Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang

Các kết quả nghiên cứu [28, 29, 33] cho thấy hƣớng cong và cƣờng độ

cong lỗ khoan ngang phụ thuộc vào sự gia tăng tải trọng chiều trục tác dụng

lên bộ dụng cụ khoan. Còn tăng tốc độ quay cột cần khoan sẽ làm cho bộ

dụng cụ khoan làm việc ổn định hơn và lỗ khoan có xu hƣớng giảm độ cong.

Hƣớng cong và cƣờng độ cong lỗ khoan ngang trong điều kiện địa chất mỏ ổn

định phụ thuộc nhiều vào khe hở khoảng không gian vành xuyến giữa thành

lỗ khoan và bộ dụng cụ khoan, phụ thuộc vào góc lệch giữa trục lỗ khoan và

bộ dụng cụ khoan. Trong khoan ngang, bộ dụng cụ khoan luôn luôn có xu

hƣớng đi theo hƣớng trúc xuống. Vì vậy, khả năng thân lỗ khoan bị lệch so

với phƣơng thiết kế càng lớn và xu hƣớng cong càng tăng. Đặc biệt khi khoan

trong đá cứng mềm xen kẽ hoặc chuyển từ đá cứng sang đá mềm. Hình 3.4,

hình 3.5 và hình 3.6 mô tả xu thế hƣớng cong lệch lỗ khoan do lệch tâm giữa

trục lỗ khoan và bộ dụng khoan .

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

1. mũi khoan kim cƣơng; 2. bộ dụng cụ khoan; - góc lệch tâm.

Hình 3.5. Hƣớng cong lỗ khoan ngang

a. hƣớng lỗ khoan theo thiết kế; b. hƣớng thực tế của lỗ khoan

Hình 3.6. Khả năng lỗ khoan bị lệch hƣớng khi gặp đá có độ cứng khác nhau

1. mũi khoan; 2. đá cát kết; 3. đá bộ kết

Kinh nghiệm [28, 29] thực tiễn cho thấy, khi thi công các lỗ khoan ngang dài 800 m với góc lệch ban đầu +50 thì giao điểm của hƣớng cong trúc

xuống với phƣơng nằm ngang thƣờng xẩy ra tại chiều sâu 300m – 350m (hình

3.5).

Khi khoan ngang trong vỉa than, tải trọng chiêu trục và lƣu lƣợng nƣớc

rửa là các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng tới cƣờng độ cong và hƣớng cong lỗ

khoan ngang. Do độ cứng của than yếu, bởi rời và trọng luợng cột cần tỳ lên

thành dƣới lỗ khoan làm cho lỗ khoan luôn luôn có xu hƣớng đi xuống và đến

lúc nào đó lỗ khoan sẽ bị rẽ khỏi hƣớng ban đầu (hình 3.7). Tăng tải trọng

chiều trục lên mũi khoan sẽ tăng lực làm lệch dẫn tới tăng cƣờng độ cong và

lệch hƣớng khoan; tăng lƣu lƣợng nƣớc rửa làm xói mòn, dẫn tới hiện tƣợng

mở rộng đƣờng kính vùng đáy lỗ khoan làm tăng khả năng lệch hƣớng lỗ

khoan. Hiện tƣợng cong lệch lỗ khoan ngang khi khoan trong vỉa than rất

phức tạp và phụ thuộc vào cấu trúc vỉa than, cấu trúc bộ dụng cụ khoan và các

yếu tố công nghệ khoan. Nếu góc gặp lỗ khoan với mặt phẳng phân lớp của vỉa nhỏ hơn 20o thì hƣớng cong lỗ khoan có xu hƣớng vuông góc với mặt phân phân lớp của vỉa; nếu góc gặp lớn hơn > 20o thì lỗ khoan có xu hƣớng

cong theo mặt phân lớp. Nếu gặp các lớp đá cứng kẹp trong vỉa than thì

hƣớng lỗ khoan có thể lệch theo mặt trƣợt của lớp đá có độ cứng lớn hơn [22,

24, 25].

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

1. bộ dụng cụ khoan; 2. cột cần khoan

3.1.3. Các dạng phức tạp trong khoan ngang

Nói chung, các dạng phức tạp trong khoan ngang cũng tƣơng tự nhƣ

trong khoan thẳng đứng.

Thực tế cho thấy trong lỗ khoan ngang không tồn tại cột nƣớc rửa, và

rất ít trƣờng hợp sử dung dịch sét để khoan. Vì vậy, dọc thành lỗ khoan ở phía

trên luôn luôn có xu hƣớng bị sập lở; kích thƣớc của đá sập lở phụ thuộc vào

tính chất cơ lý đá, mức độ phân lớp của đá, mật độ và hƣớng khe nứt của khối

đá bao quanh thành lỗ khoan. Vấn đề ổn định và bền vững thành lỗ khoan

ngang đến nay vẫn chƣa đƣợc các chuyên gia trong và ngoài nƣớc quan tâm

nghiên cứu [28, 37].

Hình 3.8. Hình dạng thành trên của lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ

1. thành trên của lỗ khoan; 2. thành dƣới của lỗ khoan

Từ hình 3.8 ta thấy dƣới tác dụng của áp suất mỏ ( ), lớp đá bị

tách khỏi mặt phân lớp và gẫy theo mặt khe nứt. Trong lỗ khoan ngang thành

trên của lỗ khoan luôn luôn ở trạng thái bị nén do tác dụng của áp suất mỏ và

lực đập của cần khoan trong quá trình khoan. Khối đá phía trên thành lỗ

khoan có thể chia thành 3 vùng (hình 3.9). Vùng 1 là vùng ổn định không bị

ảnh hƣởng phá huỷ do biến dạng khối đá; vùng 2 tƣơng đối ổn định và bị ảnh

hƣởng do sự biến dạng của đá ở vùng 3. Vùng 3 là vùng đá nứt nẻ do tác dụng

va đập trực tiếp của cần khoan trong quá trình khoan và luôn luôn có xu

hƣớng sập xuống lỗ khoan.

Kết quả nghiên cứu độ bền vững thành lỗ khoan khi khoan trong hầm

lò [22, 24] cho thấy hệ thống khe nứt trong khối đá ảnh hƣởng lớn tới độ ổn

định thành lỗ khoan. Nhƣng mặt khác, hệ thống khe nứt còn giá trị nhƣ một

kênh dẫn nhân tạo, dẫn khí từ các khu vực chứa khí vào lỗ khoan.

Trong thực tế, hiện tƣợng trƣơng nở, sập thành lỗ khoan còn do tác

dụng của áp suất mỏ. Dƣới tác dụng của áp suất mỏ chiều trục, các tầng sét bị

biến dạng dẻo làm thành lỗ khoan bị chảy sệ và đƣờng kính lỗ khoan bị thu

hẹp.

Hình 3.9. Trạng thái khối đá bao quay thành trên lỗ khoan ngang

1. vùng đá ổn định không bị ảnh hƣởng của phá huỷ; 2. vùng đá bị ảnh hƣởng

do biến dạng của khối đá ở vùng 3; 3. vùng đá bị nứt nẻ, biến dạng không ổn

định do tác động của cần khoan; r- bán kính lỗ khoan.

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

cách tâm lỗ khoan một khoảng cách (hình 3.9) và chịu các lực tác dụng:

(3.10)

trong đó: - trọng lƣợng riêng của đá, N/m3; z - khoảng cách lỗ khoan so với

mặt đất,m.

Ứng suất ngang ở hông thành lỗ khoan xác định theo công thức:

(3.11) r =

trong đó: - hệ số lực đẩy hông; - hệ số Poisson.

Giá trị hệ số thay đổi tùy theo từng loại đá, đối với sét từ 0,35 - 0,40;

cát kết từ 0,15 – 0,20; đá cacbonát từ 0,25 – 0,30.

Trong các lỗ khoan ngang, các rãnh phụ và hang hốc thƣờng xuất hiện

ở thành dƣới lỗ khoan đặc biệt khi khoan qua các địa tầng liên kết yếu nhƣ

các tầng sét-acgilit, các vỉa than. Nguyên nhân chính là do trọng lƣợng cột

cần luôn luôn có xu hƣớng tỳ lên thành dƣới thành lỗ khoan kết hợp với nhiều

lần kéo thả bộ dụng cụ khoan. Kích thƣớc rãnh không chỉ phụ thuộc vào tính

chất đất đá mà còn phụ thuộc vào kích thƣớc cần khoan. Chiều rộng rãnh

tƣơng đƣơng với đƣờng kính cần khoan, độ sâu của rãnh phụ thuộc vào độ

bền vững của thành dƣới lỗ khoan. Sơ đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan mô tả ở

hình 3.10. 1

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

1. lỗ khoan; 2. rãnh phụ; a. chiều rộng rãnh phụ

Kết quả nghiên cứu [27, 32] cho thấy: nếu thì tạo thành rãnh;

nếu thì tạo thành hang hốc ở thành lỗ khoan (a - chiều rộng rãnh phụ

- đƣờng kính cần khoan).

Đối với các lỗ khoan có rãnh phụ, mùn khoan lắng đọng chủ yếu trong

rãnh phụ. Hiện tƣợng này là một trong các nguyên nhân gây kẹt bó, kẹt mút

bộ dụng khoan; tăng lực ma sát cản trở sự tịnh tiến của cột cần, giảm tải trọng

chiều trục truyền cho dụng cụ phá huỷ đá ,v.v...

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

quá trình khoan

Hình 3.11 mô tả trạng thái tiếp xúc của cần khoan với thành dƣới của lỗ

khoan ngang trong quá trình khoan. Từ hình 3.11 ta có thể xác định chiều dài

cung tiếp xúc của cần khoan với thành dƣới của lỗ khoan theo công thức sau:

(3.12)

trong đó: - góc ôm của mùn khoan với cần khoan; - bán kính cần khoan;

Khi đó diện tích tiếp xúc của bề mặt cần khoan với thành lỗ khoan:

(3.13)

- chiều dài bề mặt cần khoan tiếp xúc với thành lỗ khoan, m.

Lực cản xác định theo công thức:

(3.14)

Fo - Lực tác dụng trên 1cm2 tiếp xúc, N/cm2.

Từ công thức trên ta thấy lực càng lớn càng tiêu hao công suất máy

khoan cho quay cột cần, càng giảm tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan

phá huỷ đá và gây khó khăn cho kéo đẩy cột cần khoan.

3.2. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan

ở mỏ Mạo Khê

3.2.1. Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê

Hiện nay, ở mỏ Mạo Khê đang áp dụng phƣơng pháp khoan xoay để

khoan các lỗ khoan tháo khí ở gƣơng lò khai thác đảm bảo an toàn trong khai

thác. Bản chất của phƣơng pháp tháo khí này là khoan trực tiếp các lỗ khoan

dài từ 15m - 20m, đƣờng kính nhỏ 46mm - 76mm vào gƣơng lò khai thác để

tháo khí ở vỉa than hoặc ở vùng lân cận gƣơng lò. Sau khi khoan tạo lỗ, bơm

ép nƣớc với áp suất cao vào các lỗ khoan để làm rạn nứt khối than, tạo ra các

khe nứt nhân tạo tăng khả năng thoát khí trong vỉa than và làm tăng độ ẩm của

than; tăng độ bám dính giữa khí và than khi bị ngoại lực tác động (nổ mìn tại

gƣơng lò, bốc xúc than tại gƣơng lò , v.v...). Kết quả thực tế cho thấy, phƣơng

pháp tháo khí này không những giảm đƣợc khí Mêtan và các loại khí khác

thoát ra từ gƣơng lò khai thác mà còn giảm đƣợc bụi than. Kết quả quan trắc

khí Mêtan thoát ra trong quá trình khai thác tại gƣơng lò chợ cho thấy: hàm

lƣợng khí Mêtan thoát ra từ 1m chiều dài lò chợ khi chƣa áp dụng phƣơng

pháp khoan - bơm ép nƣớc làm ƣớt vỉa than là 0,01 m3/ph. Sau khi áp dụng, hàm lƣợng khí Mêtan thoát ra từ 1m lò chợ là 0,0068 m3//ph. Nhƣ vậy, hàm

lƣợng khí thoát ra từ vỉa than giảm 1,5 lần. Tiêu hao nƣớc bơm ép vào lỗ

khoan làm ẩm vỉa than khoảng 8 lít/tấn than khai thác. Đồng thời kết quả phân

tích kích thƣớc các hạt bụi trong quá trình khai thác tại gƣơng lò các vỉa than

đã làm ẩm bằng các lỗ khoan - bơm ép nƣớc cho thấy: hàm lƣợng bụi kích

thƣớc nhỏ hơn 10 micro giảm 1,3%; hàm lƣợng bụi kích thƣớc nhỏ hơn 5

micro giảm 3%; hàm lƣợng bụi kích thƣớc nhỏ hơn 2 micro giảm 5,8%.

Đặc biệt tại gƣơng lò vỉa 9Đ cánh Bắc ở mức -80 đã áp dụng khoan ba

lỗ khoan dài 65m-70m trong vỉa than để tháo khí trƣớc khi khai thác. Các lỗ

khoan tháo khí tại gƣơng lò vỉa 9Đ đƣợc khoan bằng thiết bị HR-1500. Kết

quả quan trắc lƣợng khí thoát ra từ lỗ khoan cho thấy, trong thời gian 10 ngày đầu lƣợng khí thoát ra từ lỗ khoan dao động từ 0,15 m3/ph. đến 0,35 m3/ph.; sau đó qua 15 ngày lƣu lƣợng khí chỉ còn 0,001m3/ph đến 0,0012m3/ph. Nhƣ

vậy, lƣu lƣợng khí thoát ra từ lỗ khoan đã giảm dần theo thời gian. Sau 30

ngày quan trắc thì không còn thấy khí thoát ra từ lỗ khoan.

Tiếp theo, năm 2004 đã khoan thử nghiệm lỗ khoan ngang dài 150m

tháo khí ở vỉa 9T mức -80 bằng thiết bị khoan xoay ZIF -300m. Nhƣng không

đạt đƣợc tới chiều sâu thiết kế mà phải dừng khoan tại chiều sâu 107 m.

Nguyên nhân chủ yếu là do thiết bị khoan không đủ công suất khoan, không

đủ tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan để phá huỷ đá.

Các lỗ khoan tháo khí nhƣ đã trình bày ở trên chỉ có tính giải quyết tức

thời phục vụ cho công tác an toàn trong khai thác, đồng thời cũng là các lỗ

khoan thí nghiệm. Phƣơng pháp khoan chủ yếu là phƣơng pháp khoan xoay

bằng các thiết bị sẵn có. Do nhu cầu khai thác và tháo khí Mêtan đòi hỏi phải

khoan các lỗ khoan ngang dài từ 300m - 500m, để tháo khí lâu dài trong các

vỉa than ở các khu vực chuẩn bị khai thác lò chợ cơ giới hoá và chèn lò thuỷ

lực.

Kết quả nghiên cứu và quan trắc thực tế khí Mêtan thoát ra từ các

đƣờng lò cho thấy: khí Mêtan chủ yếu thoát ra từ các gƣơng lò chợ,từ các khu

vực không gian sau khi khai thác và phá hoả hạ đá vách. Trong các khoảng

không gian này, do hệ số thu hồi than không cao dẫn đến trên nóc và ở nền lò

vẫn còn tồn tại các lớp than. Các lớp than thƣờng bị nứt nẻ, dập vỡ do tác

động của khai thác và phá huỷ khi phá hoả hạ đá vách; vì vậy khí Mêtan và

các loại khí khác dễ dàng thoát ra khỏi bề mặt các cục than bị vỡ. Lƣợng khí

Mêtan đƣợc tạo thành sẽ tích tụ và đi vào các đƣờng lò, vào các khu vực đang

khai thác qua các khe nứt, làm tăng hàm lƣợng khí Mêtan trong các đƣờng lò,

trong các khu vực khai thác.

Từ các kết quả quan trắc thực tế khí Mêtan thoát ra từ lò chợ trong quá

trình khai thác và công nghệ khai thác ở mỏ Mạo Khê đã lựa chọn phƣơng

pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan ngang ở trên nóc lò chợ. Các cụm

khoan đƣợc bố trí ở các khám khoan dọc đƣờng lò gió thải.

Căn cứ vào nhiệm vụ kế hoạch khai thác vỉa than 9Đ và tiềm năng khí

Mêtan trong vỉa than sẽ bố trí các lỗ khoan ngang dài trên vách lò chợ để tháo

khí trƣớc khi khai thác. Lỗ khoan đƣợc bố trí tại khám khoan cách gƣơng lò

chợ sẽ khai thác 350m (hình 3.12). Trong khám khoan sẽ bố trí các lỗ khoan

hình dải quạt hƣớng về phía gƣơng lò chợ. Lỗ khoan thứ nhất hợp với trục lò gió thải một góc 300; lỗ khoan thứ hai hợp với lỗ khoan thứ nhất một góc 150.

Các lỗ khoan bố trí nhƣ vậy sẽ thu hồi khí ở vỉa than và đá vách trƣớc khi

khai thác và ở khoảng không gian lò chợ đã phá hoả đánh sập sau khi khai

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

3.12 và hình 3.13.

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

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

1. van tháo khí; 2. ống PVC; 3. ống thu khí; 4. xi măng trám; 5. khe hở thu

khí; 6. đầu bịt; 7. nút bịt kín; 8. lỗ khoan; 9. van tháo nƣớc; 10. thành lò

Với phƣơng pháp bố trí các lỗ khoan tháo khí nhƣ đã mô tả ở trên sẽ

cho phép tháo khí ở khu vực chuẩn bị khai thác, ở gƣơng lò chợ và ở khu vực

sau khi khai thác đã phá hỏa đánh sập.

Với cách bố trí các lỗ khoan nhƣ vậy sẽ không ảnh hƣởng tới hoạt động

của lò chợ.

Lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan có thể xác định theo công thức

sau [35, 36]:

(3.15)

trong đó: Qo- lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan, kg/s; H- chiều dài lỗ khoan, m; K- độ thẩm thấu của khí Mêtan, m2; - Độ nhớt động của khí

Mêtan, Pa.s; Mm- trọng lƣợng phân tử của khí Mêtan, kg/mol; Ro= 8,31 J/(mol.0K) - hằng số khí ; T- nhiệt độ tuyệt đối, 0K; - áp suất vỉa , Pa; Pm-

áp suất miệng lỗ khoan, Pa; = 1,781 - hằng số Eiler.

Do trữ lƣợng khí Mêtan có hạn và giảm dần theo thời gian thu hồi. Vì

vậy, khi tính khối lƣợng khí Mêtan thu hồi từ lỗ khoan cần xác định hệ số thu

hồi theo công thức [35, 36]:

(3.16)

trong đó: - thời gian thu hồi khí Mêtan, tháng; - hệ số thu hồi khí Mêtan

ban đầu, giá trị xác định theo thực tế khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan.

Khi đó, khối lƣợng khí Mêtan QM thu hồi từ lỗ khoan đƣợc xác theo

công thức:

(3.17) QM = Qo.m.Kotb

và khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác QMT:

(3.18) QMT = n.Qo.m.Kotb

Qo - khối lƣợng khí Mêtan thu hồi từ lỗ khoan, m3/tháng; m- số lƣợng tháng

thu hồi khí Mêtan, tháng; Kotb- hệ số trung bình thu hồi khí Mêtan trong lỗ khoan; QMT - khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác, m3/tháng;

- số lƣợng lỗ khoan tại khu vực khai thác.

Số lƣợng lỗ khoan tại khu vực khai thác xác định theo công thức:

(3.19)

Q - Trữ lƣợng khí trong khu vực khai thác lò chợ;

3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê

3.2.2.1. Các quan điểm về lựa chọn công nghệ khoan hợp lý

Công nghệ khoan là tổ hợp các phƣơng pháp và chế độ thực hiện các

quá trình liên quan tới tiến độ lỗ khoan trong điều kiện nhất định nào đó để

đạt đƣợc mục đích và hiệu quả đặt ra. Chính vì vậy mà hiện nay đang tồn tại

các quan điểm khác nhau về lựa chọn công nghệ khoan hợp lý. Một số tác giả

[31, 32, 33, 37] cho rằng, khi lựa chọn công nghệ khoan hợp lý cho một điều

kiện khoan cụ thể không những phải căn cứ vào đặc điểm cấu trúc địa tầng,

tính chất cơ lý đá; tính năng kỹ thuật của thiết bị, dụng cụ phá đá mà còn phải

xét tới các yếu tố khác nhƣ trình độ quản lý kỹ thuật công nghệ; tay nghề của

ngƣời thợ khoan,v.v... Một số chuyên gia khác [37, 38] lại cho rằng ngoài các

ý kiến nêu trên cần phải lựa chọn các thông số chế độ công nghệ khoan hợp

lý, đặc biệt là sự phối hợp giữa các thông số tải trọng chiều trục và tốc độ

quay cột cần khoan để đảm bảo tốc độ cơ học đạt giá trị cao nhất [31].

Trong những năm gần đây,trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm, các chuyên gia [30, 31, 37] khi tính toán chế độ công nghệ

khoan đã tính tới các yếu tố nhiệt và mòn mũi khoan trong quá trình phá huỷ

đá.

3.2.2.2. Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học khoan trên cơ sở tiêu hao năng

lượng phá huỷ đá

Theo quan điểm này, tốc độ cơ học đƣợc xác định phụ thuộc vào năng

lƣợng của quá trình phá hủy đá. Tốc độ cơ học xác định theo công thức :

(3.20) Vm =

trong đó: Vm - tốc độ cơ học, m/s; Np - năng lƣợng tiêu hao cho phá hủy đá

trong một đơn vị thời gian, N.m/s; E - năng lƣợng của quá trình phá hủy, N.m/m3; S - diện tích đáy lỗ khoan, m2. Năng lƣợng tiêu hao cho phá huỷ đá

trong một đơn vị thời gian đƣợc xác định theo công thức:

(3.21) Np = 2R n (Po + T)

trong đó: R - bán kính trung bình mũi khoan kim cƣơng, m; n - tốc độ quay

cột cần khoan của bộ dụng cụ khoan, vòng/s;  - hệ số ma sát của mũi khoan

với đá; Po - tải trọng chiều trục lên mũi khoan, N; T - lực kháng phá hủy đá,

Từ đó, ta thấy muốn tăng tốc độ cơ học cần:

- Tăng năng lƣợng phá huỷ đá bằng cách tăng tốc độ quay cột cần

khoan và tải trọng chiều trục lên mũi khoan.

- Giảm năng lƣợng phá huỷ đá bằng cách sử dụng cấu trúc mũi khoan

hợp lý và chế độ công nghệ khoan phù hợp với tính chất cơ lý đá.

- Giảm diện tích tiết diện đáy lỗ khoan bằng cách khoan các lỗ khoan

đƣờng kính nhỏ.

3.2.2.3. Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học trên cơ sở cơ lựa chọn các thông

số chế độ khoan hợp lý .

Theo quan điểm này, tốc độ cơ học khoan đƣợc xác định bởi các thông

số chế độ khoan: tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần khoan; lƣu lƣợng

nƣớc rửa; tính chất cơ lý đá và đặc tính kỹ thuật của mũi khoan.

Mối quan hệ giữa tốc độ cơ học và các thông số chế độ khoan, độ cứng

của đá xác định theo công thức:

(3.22)

trong đó: Po - tải trọng chiều trục, N; n – tốc độ quay cột cần khoan, vòng/s; b

- chiều rộng tiết diện đế mũi khoan, mm

b = R - r

R - bán kính ngoài mũi khoan, mm; r - bán kính trong mũi khoan, mm; Ps - độ cứng của đá, N/mm2

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, các tác giả đều nhận thấy rằng tốc

độ cơ học tăng tỷ lệ thuận với tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần khoan;

song chỉ đến một giá trị nào đó, nếu vƣợt qua giá trị đó thì mối quan hệ này

không tồn tại.

Mối quan hệ giữa tốc độ cơ học và tốc độ quay cột cần khoan, tiến độ

của mũi khoan sau một vòng phút có thể xác định theo công thức:

( 3.23)

trong đó: - tiến độ mũi khoan sau một vòng quay, mm/vòng; - tốc độ cơ

học khoan, m/h; - tốc độ quay cột cần khoan, ph-1.

Mặc dù có các quan điểm khác nhau, song các tác giả đều thống nhất

chế độ công nghệ khoan cần lựa chọn phù hợp với phƣơng pháp khoan, điều

kiện kỹ thuật thực tế, điều kiện địa chất cụ thể để đạt đƣợc hiệu quả cao nhất.

3.2.3. Lựa chọn phƣơng pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí

Mêtan ở mỏ Mạo Khê

3.2.3.1. Lựa chọn phương pháp khoan

Từ các kết quả nghiên cứu ở các chƣơng trƣớc cho thấy lựa chọn công

nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê cần dựa vào các yếu

tố cơ bản sau:

1. Đặc điểm cấu trúc địa tầng và tính chất cơ lý đá ở mỏ than Mạo Khê;

2. Đặc điểm tồn tại và đặc tính thẩm thấu, phân tán khí Mêtan ở các vỉa

than; trữ lƣợng khí Mêtan ở vỉa than và đá bao quanh ở các mức khai thác mỏ

than Mạo Khê;

3. Đặc điểm công nghệ khoan ngang;

4. Đặc điểm công nghệ khai thác, sơ đồ công nghệ khai thác và kích

thƣớc lò chợ khai thác ở mỏ than Mạo Khê;

5. Mục đích lỗ khoan tháo khí Mêtan.

Trong thời gian hiện nay, mỏ Mạo Khê đang tập trung khai thác ở mức

-80 bằng lò chợ dài cơ giới hóa, năng suất khai thác lò chợ bình quân đạt 350

– 380 TKT ngày-đêm. Theo kết quả nghiên cứu [1, 4] thì lƣu lƣợng khí thoát

ra từ khối lƣợng than khai thác sẽ đạt từ 300 m3/ ngày-đêm đến 450 m3/ ngày-

đêm. Để giảm lƣợng khí xâm nhập vào lò, đảm bảo an toàn trong khai thác và

kế hoạch khai thác, mỏ có nhu cầu tháo và thu gom khí trong các vỉa than

khai thác lò chợ trƣớc khí tiến hành khai thác. Để đạt đƣợc mục đích đó, mỏ

đã thiết kế các lỗ khoan ngang dài 300m- 400m ở trên nóc lò chợ nhƣ đã trình

bày ở trên.

Căn cứ vào đặc điểm công nghệ khoan ngang và yêu cầu tháo khí hiện

tại ở mỏ Mạo Khê; đề tài đã lựa chọn phƣơng pháp khoan xoay - đập để

khoan các lỗ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê. Thiết bị khoan là

thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W do hãng Koken Nhật Bản sản

xuất; dụng cụ khoan là bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89. Thiết bị khoan

RPD-130SL-F2W đƣợc trang bị hai hệ thống truyền áp lực cho dụng cụ phá

hủy đá: truyền áp lực bằng hệ thống thủy lực kết hợp với xích truyền lực và

lực đập (năng lƣợng đập) bằng cơ cấu đập lắp đặt ở đầu máy khoan (cơ cấu

đập đỉnh). Vì vậy, trong quá trình khoan, thiết bị khoan RPD-130SL-F2W có

thể sử dụng nhƣ thiết bị khoan xoay khi khoan đá mềm và trung bình cứng và

khoan xoay - đập khi khoan đá trung bình cứng và cứng.

Đặc điểm cơ bản của công nghệ khoan xoay - đập là công suất phá huỷ

đá ở đáy lỗ khoan đƣợc hình thành từ ba thành phần: tải trọng chiều trục, mô

men xoắn (tốc độ quay cột cần khoan); lực đập hoặc xung lực đập đƣợc tạo

thành từ cơ cấu đập. Các thông số chế độ khoan xoay - đập gồm: tải trọng

chiều trục và tốc độ quay cột cần khoan truyền cho dụng cụ phá huỷ đá; lực

đập do tần số đập của cơ cấu đập tạo thành.

Lý thuyết khoan xoay - đập và thử nghiệm các cơ cấu đập đã đƣợc E.

Ph. Epstein; A.P. Ostrovski; A. Kh. Sidorenko và các chuyên gia khác nghiên

cứu từ năm 1939 [27, 31, 37, 39].

Giai đoạn từ năm 1953 đến 1957 các chuyên gia Fish B.G (Anh); Jnet

E. V; Lacabane W. D và Fleider (Mỹ); Makoto Jhara, Macao Tanaca, Cesso

Aco (Nhật) đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm công nghệ

khoan xoay - đập. Các kết quả nghiên cứu đã khảng định: trong các điều kiện

nhƣ nhau, nếu sử dụng chế độ công nghệ hợp lý khoan đá trung bình cứng thì

năng suất khoan xoay - đập tăng từ 2 - 3 lần và năng lƣợng phá huỷ đá cũng

giảm tới 1,5 lần so với các phƣơng pháp khoan khác [27, 37].

Khoan xoay - đập là một dạng đặc biệt của khoan xoay. Nếu khoan

xoay phá huỷ đất đá do tác dụng của tải trọng chiều trục và tốc độ quay cột

cần khoan thì khoan xoay - đập, ngoài tốc độ quay cột cần khoan, lực phá huỷ

đá gồm hai thành phần tải trọng chiều trục và lực đập hay năng lƣợng đập của

cơ cấu đập. Khi nghiên cứu đặc tính phá huỷ đá bằng các phƣơng pháp khác

nhau, các tác Ivanov K.I; Varich M.S và những ngƣời khác [27] đã mô tả cơ

chế phá huỷ đá nhƣ hình 3.14 và các trị số thành phần lực tham gia phá huỷ

đá nhƣ sau:

NB = f M(Po)

Ny = 0 Khoan xoay

NB  Ny Khoan xoay - đập

Ny  NB Khoan đập - xoay

Trong đó NB - Công suất tiêu hao cho phá hủy đá, kW; M - Momen

xoắn, N.m; Po - tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan, N; Ny - Công suất

tiêu hao cho năng lƣợng đập phá hủy đá, kW.

Từ hình 3.14 ta thấy lực tác dụng lên mũi khoan trong quá trình phá huỷ đá

bằng phƣơng pháp khoan xoay - đập:

(3.24)

Trong đó - tổng hợp lực tác dụng lên mũi khoan, N; - tải trọng chiều trục

truyền cho mũi khoan, N; - lực đập hay xung lực sinh ra do cơ cấu đập, N.

a) b)

Hình 3.14. Mô hình phá huỷ đá trong các phƣơng pháp khoan

a. Khoan xoay; b. Khoan xoay - đập;

A- lực đập ; Po - tải trọngc chiều trục tác dụng lên hạt cắt ; T - lực pháp tuyến.

1. phá huỷ đất đá do cắt; 2. phá huỷ đất đá do năng lƣợng đập.

Tốc độ cơ học trong khoan xoay - đập xác định theo công thức sau:

(3.25)

Trong đó: - số lƣợng hạt cắt trong mũi khoan; - tốc độ quay cột cần khoan

của mũi khoan, vòng/phút; - chiều sâu xâm nhập của mũi khoan vào đá sau

một vòng quay; mm/vòng.

Chiều sâu xâm nhập trong khoan xoay - đập xác định theo công thức:

(3.26)

Trong đó: ho - chiều sâu xâm nhập dƣới tác dụng của tải trọng chiều trục, mm;

hđ - chiều sâu xâm nhập dƣới tác dụng của lực đập, mm.

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực tế [31, 39] cho thấy là hàm phụ

thuộc vào các yếu tố:

(3.27)

B- cấu trúc mũi khoan;Po- tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan; Pđ- lực

đập; St- diện tích tiếp xúc của hạt cắt trong mũi khoan với đá; Ps- độ cứng của

đá theo Sreinher;

Theo I.Ph. Medvedev [31] chiều sâu xâm nhập của mũi khoan vào đá

trong khoan xoay - đập xá định theo công thức:

(3.28)

thay giá trị vào biểu thức (3.25) ta có:

(3.29)

trong đó -hệ số đặc trƣng cho sức kháng xâm nhập của mũi khoan vào đá;

- hệ số phụ thuộc vào tính chất cơ lý đá.

Từ các kết quả thực nghiệm khi khoan trong các loại đá khác nhau, các

tác giả [31] đã xác định giá trị cho từng loại đá: =0,7563 đối với đá cấp

IV-VI; = 0,7460 đối với đá cấp VII –VIII; =0,697 đối với đá cấp VIII –

IX; = 0,682 đối với đá cấp IX –XI; =0,668 đối với đá cấp XI –XII và lớn

hơn; Co = 1,1 -1,15.

3.2.3.2. Lựa chọn chế độ công nghệ khoan

Trong khoan xoay - đập, tốc độ cơ học không chỉ phụ thuộc vào tải

trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần khoan truyền cho dụng cụ phá hủy đá mà

còn phụ thuộc vào lực đập (năng lƣợng đập) của búa đập truyền cho dụng cụ

phá hủy đá. Tải trọng chiều trục và lực đập truyền cho mũi khoan đƣợc lựa

chọn phụ thuộc vào tính chất cơ lý đá, đặc tính kỹ thuật của thiết bị khoan và

cơ cấu đập, đặc tính kỹ thuật của mũi khoan.

Nhƣ phần trên đã phân tích, lực đập của cơ cấu đập (búa đập) sẽ tạo

nên các vi khe nứt trong quá trình phá hủy đá. Sự hình thành hệ thống vi khe

nứt hay vùng phá hủy sơ bộ sẽ làm giảm độ bền của khối đá và tăng hiệu quả

phá hủy đá. Tính chất phá hủy đá trong khoan xoay- đập phụ thuộc vào tính

chất cơ lý đá. Nếu đá rắn có tính đàn hồi giòn thì quá trình phá hủy đá có tính

nghiền - đập vỡ dƣới tác dụng chủ yếu của lực đập. Nếu đất đá có tính đàn hồi

dẻo thì qúa trình phá hủy có tính ép nén và cắt chủ yếu do tác dụng của tải

trọng chiều trục truyền cho mũi khoan và momen xoắn.

Tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan trong khoan ngang xoay –

đập đƣợc xác định theo công thức [31, 33, 39] :

(3.30)

trong đó: - hệ số ma sát của mũi khoan với đá. Hệ số thay đổi phụ thuộc

vào tính chất của đá, tính chất nƣớc rửa và cấu trúc mũi khoan. Trong cùng

một loại đá, cùng loại mũi khoan khi rửa bằng dung dịch sét, hệ số

; khi rửa bằng nƣớc lã ; ; hệ số đặc trƣng

cho sự thay đổi diện tích tiếp xúc của các hạt cắt trong mũi khoan với đá; -

diện tích của các hạt cắt trong mũi khoan, cm2; đ - ứng suất kháng nén của đá, N/cm2.

Tốc độ vòng lựa chọn theo công thức thực nghiệm của O. V. Ivanov

[33] nhƣ sau:

n = (3.31)

trong đó: n - tốc độ quay cột cần, v/ph; D - đƣờng kính lƣỡi khoan, mm.

Lực đập hoặc năng lƣợng đập , tần số đập là các đại lƣợng đặc

trƣng cho cơ cấu đập (búa đập). Khi lựa chọn cần căn cứ vào đặc tính của cơ

cấu đập và tính chất đất đá, nếu tải trọng chiều trục và năng lƣợng đập truyền

cho mũi khoan một cách hợp lý thì sẽ tăng hiệu quả phá huỷ đá trong quá

trình khoan xoay - đập.

Năng lƣợng của cơ cấu đập truyền cho mũi khoan xác định theo công

thức:

(3.32)

- năng lƣợng đập, N.m; - tổng chiều dài bề mặt của hạt cắt tiếp

xúc với đá, cm; -tỷ chi phí năng lƣợng đập cho 1cm hạt cắt, N.m/cm

Giá trị phụ thuộc vào cấp đá theo độ khoan: VI-VII: 10; VIII-IX: 10-

15; X- 15-20; XI- 22-25.

Mối liên hệ giữa tốc độ quay cột cần khoan và tần số đập xác định theo

công thức [27, 31]:

(3.33)

- tốc độ quay cột cần khoan, v/ph; - số lần đập trong một phút; -

khoảng cách dịch chuyển của hạt cắt giữa hai lần đập, mm;

Khoảng dịch chuyển  đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào tính chất cơ lý đá

và tần số đập của cơ cấu đập [27, 39]. Đối với đá cấp VI-VII theo độ khoan, 

= 70mm - 90mm; đá cấp VIII-IX theo độ khoan,  = 60mm - 80mm; đá cấp

IX-XI theo độ khoan,  = 40mm - 60mm.

Dung dịch dùng trong khoan xoay - đập bằng bộ ống mẫu luồn PS-89

là nƣớc lã; lƣu lƣợng nƣớc rửa đƣợc lựa chọn theo kinh nghiệm thực tế khi

khoan ống mẫu luồn: 40-60 l/ph.

Theo kinh nghiệm của các chuyên gia [27, 31, 39], chế độ khoan xoay -

đập đƣợc lựa chọn theo hƣớng dẫn ở bảng 3.1.

Bảng 3.1. Các thông số chế độ khoan xoay - đập

Loại đá n, v/ph. Q, l/ph. P0 , N nđ, lần/ph

3000-5000 200-250 40-50 800 - 900

Bột kết hạt nhỏ mịn, cấp VI-VII theo độ khoan,

7000-9000 200-300 40-50 1000 - 1200

Bột kết, cát kết hạt nhỏ mịn,ít mài mòn, cấp VIII-IX theo độ khoan,

7000-13000 200-300 40-50 1000 - 1600

Bột kết, cát kết, sạn kết, mài mòn, nứt nẻ, cấp IX-XI theo độ khoan

Từ các kết quả nghiên cứu của chƣơng 3, ta có thể rút ra một số kết

luận sau:

1. Một trong các nguyên nhân cơ bản dẫn tới tổn thất tải trọng chiều

trục truyền cho mũi khoan trong khoan ngang khi tăng chiều sâu khoan là do

tăng trọng lƣợng cột cần khoan (tăng chiều dài cột cần khoan), lực ma sát và

momen xoắn trong quá trình khoan; từ đó dẫn tới giảm tốc độ cơ học khoan

khi tăng chiều dài lỗ khoan. Khi tăng tốc độ quay cột cần khoan, tổn thất tải

trọng chiều trục giảm, nếu tăng tốc độ quay cột cần khoan gấp 3 lần thì tổn

thất tải trọng chiều trục giảm từ 1,8-2 lần đối với các lỗ khoan sâu từ 300m-

500m.

2. Áp dụng công nghệ khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan xoay - đập

RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89 là hợp lý phù hợp với điều kiện

địa chất, điều kiện khai thác mỏ và nhu cầu tháo khí hiện nay ở mỏ Mạo Khê.

3. Chế độ công nghệ khoan xoay - đập đƣợc lựa chọn căn cứ vào tính

chất cơ lý của đá và đặc tính kỹ thuật của thiết bị khoan, đặc tính kỹ thuật của

đầu đập. Khoan trong đá sét kết, sét than, bột kết liên kết yếu bằng thiết bị

khoan RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89; các thông số chế độ

khoan đƣợc lựa chọn nhƣ trong khoan xoay; khi khoan bột kết, sạn kết và cát

kết sẽ áp dụng chế độ công nghệ khoan xoay - đập.

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

Trong thực tiễn, có hai phƣơng pháp thử nghiệm xác định chế độ công

nghệ khoan hợp lý của phƣơng pháp khoan này hoặc phƣơng pháp khoan

khác: đó là phƣơng pháp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm bằng các mô

hình tƣơng đƣơng hay thử nghiệm trong điều kiện sản xuất. Mỗi phƣơng pháp

điều có ƣu và nhƣợc điểm; trong điều kiện sản xuất, để đảm bảo độ tin cậy và

chính xác của các kết qủa nghiên cứu cần tiến hành thử nghiệm với khối

lƣợng lớn.

Mục đích của thử nghiệm trong điều kiện sản xuất là xác định mức độ

chính xác của kết quả nghiên cứu lý thuyết, đồng thời hiệu chỉnh và hoàn

thiện cho phù hợp với điều kiện khoan cụ thể. Tuy nhiên các kết quả thử

nghiệm ngoài sản xuất cũng chỉ đạt đƣợc các kết quả nhất định do còn hạn

chế về thiết bị, dụng cụ đo kiểm trong quá trình thử nghiệm. Phƣơng pháp

nghiên cứu và thu thập số liệu thử nghiệm ngoài sản xuất là phƣơng pháp

quan trắc và xử lý số liệu bằng phƣơng pháp toán thống kê. Trên cơ sở các

kết quả xử lý các số liệu quan trắc sẽ đề xuất các thông số chế độ khoan hợp

lý cho điều kiện khoan cụ thể. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là chƣa tính

đến sự thay đổi điều kiện của đáy lỗ khoan, chƣa tìm đƣợc mối quan hệ của

chúng với chế độ công nghệ khoan để lập chế độ khoan tối ƣu đối với từng

điều kiện khoan cụ thể.

Trong quá trình thử nghiệm đã lựa chọn điều kiện vị trí lỗ khoan, tình

trạng địa chất tự nhiên khu vực nghiên cứu và các thông số thử nghiệm phù

hợp với đặc điểm kỹ thuật thiết bị khoan, mũi khoan và tính chất cơ lý đá.

Đồng thời để xác định sự ảnh hƣởng của từng thông số chế độ tới hiệu quả

làm việc của mũi khoan đã cố định thông số chế độ khoan này và thay đổi các

thông số chế độ khoan khác trong phạm vi phù hợp với tính năng thiết bị và

tính chất cơ lý đá.

4.1. Thiết bị khoan thử nghiệm

Thiết bị khoan thử nghiệm là thiết bị RPD-130SL-F2W do hãng Koken

Nhật Bản sản xuất. Đây là thiết bị khoan xoay kết hợp với khoan xoay - đập.

Thiết bị khoan RPD- 130SL-F2W đƣợc bố trí hai cơ cấu truyền tải trọng

chiều trục cho mũi khoan phá hủy đá: hệ thống thủy lực kết hợp với xích

truyền lực và năng lƣợng đập bằng cơ cấu đập lắp đặt ở đầu máy khoan (cơ

cấu đập đỉnh). Nhờ đó, khi khoan đá cứng rắn chắc sẽ kết hợp hai lực truyền

cho mũi khoan: tải trọng chiều trục và lực đập đƣợc truyền từ cơ cấu đập. Đặc

tính kỹ thuật thiết bị khoan xoay - đập xem bảng 4.1 và hình 4.1.

Bảng 4.1. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-

F2W và máy bơm nƣớc rửa MG-15

A. Máy khoan RPD-130SL-F2W

1. Chiều sâu khoan

150 m - Bằng mũi khoan 157 mm

400 m - Bằng mũi khoan 101 mm

2. Mô men xoắn 8kN.m

3. Áp lực nén 65kN

4 Tốc độ quay cột cần khoan 0-400v/ph

4. Năng lƣợng đập 750J

5. Khoảng dịch chuyển đầu máy 2060mm

6. Kích thƣớc thiết bị khoan

- Dài 3.500mm

- Rộng 1.500mm

- Cao 1.730mm

7. Trọng lƣợng thiết bị 3.000kg

B. Hệ thống bơm dầu thủy lực

1. Dẫn động cho hệ thống bơm thủy lực

- Loại động cơ Động cơ điện phòng chống nổ

- Công suất 55kw

2. Kích thƣớc hệ thống bơm thủy lực

- Dài 1.500mm

- Rộng 1.000mm

- Cao 1.300mm

3. Trọng lƣợng hệ thống bơm thủy lực 1.500kg

C. Máy bơm piston MG-15

1. Lƣu lƣợng bơm 100 l/ph

2. Áp suất làm việc 4 MPa

3. Kích thƣớc

- Dài 1.500mm

- Rộng 900mm

- Cao 800mm

4. Dẫn động cho máy bơm

- Loại động cơ Động cơ điện phòng chống nổ

- Công suất 11kw

5. Trọng lƣợng 650kg

Dụng cụ khoan gồm bộ ống mẫu luồn khoan ngang loại PS-89 (hình

4.2), đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu xem bảng 4.2.

H×nh 4.1. M« h×nh thiÕt bÞ khoan xoay - ®Ëp RPD-130SL-F2W (NhËt B¶n)

Hình 4.2. Bộ ống mẫu luồn PS – 89

Về nguyên lý làm việc của bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89 cũng

tƣơng tự nhƣ bộ ống mẫu luồn khoan thẳng đứng. Chỉ khác là khi thả bộ ống

chứa mẫu và bộ chụp vớt vào lỗ khoan bằng áp suất dòng nƣớc rửa đƣợc bơm

từ máy bơm dung dịch. Vì vậy, bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt đƣợc lắp đặt

vòng cao su chịu áp lực; đƣờng kính vòng cao su tƣơng đƣơng với đƣờng

kính trong của cột cần khoan, sẽ tạo đƣợc lực đẩy ép bộ ống chứa mẫu hoặc

bộ chụp vớt (khi thả bộ chụp vớt) xuống đáy lỗ khoan bằng áp suất dòng nƣớc

rửa bơm từ máy bơm dung dịch.

Bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89 gồm các dụng cụ công nghệ: cần

khoan, bộ ống mẫu, mũi khoan; dụng cụ phụ trợ gồm bộ chụp vớt, bộ bịt kín

miệng cần khoan khi thả bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt ống chứa mẫu; tời

và puly dòng dọc kéo thả ống chứa mẫu bằng cáp; và các dụng cụ cứu kẹt.

Bảng 4.2. Đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS - 89

Các thông số Đơn vị PS - 89

Đƣờng kính ngoài mũi khoan mm 101

Đƣờng kính trong mũi khoan mm 45

Đƣờng kính ngoài ống mẫu ngoài mm 89,1

Đƣờng kính trong ống mẫu ngoài mm 63,5

Đƣơng kính ngoài ống chứa mẫu mm 60,5

Đƣơng kính trong ống chứa mẫu mm 50,5

Đƣờng kính ngoài cần khoan mm 89,1

Đƣờng kính trong cần khoan mm 77,8

Chiều dài bộ ống chứa mẫu mm 1500

Chiều dài cần khoan mm 1500

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

Nhƣ phần trên đã trình bày, thiết bị khoan xoay RPD-130SL-F2W là

thiết bị khoan xoay - đập bằng bộ ống mẫu luồn PS-89. Để nghiên cứu sự ảnh

hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ học khoan khi khoan các

loại đá có độ cứng khác nhau ở mỏ Mạo Khê; tác giả đã áp dụng phƣơng pháp

quan trắc và xử lý số liệu bằng toán xác suất thống kê để phân tích đánh giá

mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan nhƣ tải trọng chiều trục Po,

tốc độ quay cột cần khoan n và lƣu lƣợng nƣớc rửa Q tới tốc độ cơ học khoan

ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê khi khoan bằng máy khoan RPD-130SL-F2W.

Để giải bài toán này, tác giả đã quan trắc sự thay đổi tốc độ cơ học khoan

trong đá cát kết và bột kết khi thay đổi các giá trị Po, giá trị tốc độ quay cột

cần khoan n và lƣu lƣợng nƣớc rửa Q. Coi các thông số chế độ khoan nhƣ các

yếu thành phần. Khi đó tổng mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần tới

tốc độ cơ học khoan đƣợc tính bằng 1 (hoặc 100%) và xác định theo công

thức [26]:

(4.1)

trong đó: - đặc trƣng cho sự ảnh hƣởng của các yếu tố do con ngƣời điều

khiển trong quá trình khoan nhƣ tốc độ quay cột cần khoan, tải trọng chiều

trục, lƣu lƣợng nƣớc rửa tới tốc độ cơ học khoan; - đặc trƣng cho sự ảnh

hƣởng của các yếu tố không điều khiển đƣợc nhƣ cấu trúc địa tầng, tính chất

cơ lý đá,v.v… tới tốc độ cơ học khoan.

Mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần tới tốc độ cơ học khoan

đƣợc đánh giá bằng tỷ số: ; đối với các yếu tố không thể điều khiển:

Để đánh giá mức độ chính xác sự ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần

tới tốc độ khoan, có thể sử dụng chỉ số sau:

; ; (4.2)

Mức độ chính xác của phép tính toán đƣợc kiểm tra theo công thức:

(4.3)

Nếu F> 0,95 thì kết quả nghiên cứu đƣợc tính là chính xác [26].

Nghiên cứu thử nghiệm đƣợc tiến hành tại lỗ khoan tháo khí ở vỉa 9Đ

cánh Đông mức - 80 mỏ than Mạo Khê, khoan trong đá cát kết, hạt nhỏ mịn

cấp IX- X, độ cứng theo Sreinher Ps = 5000 – 7000 MPa và khoan đá bột kết

cấp VII-VIII, độ cứng theo Sreinher Ps= 2000 -3000 MPa bằng bộ ống mẫu

luồn PS - 89, mũi khoan đƣờng kính 101mm, kiểu HS-C. Trong quá trình

khoan thử nghiệm đã chia thành từng đợt; các thông số chế độ khoan và các

kết quả quan trắc đƣợc mô tả ở các bảng 4.4 đến 4.9. Kết quả tổng hợp tính

toán sự ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ khoan bằng

phƣơng pháp nêu trên đƣợc mô tả ở bảng 4.3 và hình 4.3.

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.

Loại đá và độ cứng Ps, MPa Mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan

tới tốc độ cơ học, %

P, N

n, v/ph.

Lƣu lƣợng nƣớc rửa, l/ph

32

34

24 Đá bột kết màu xám đen; Ps= 2000 – 3000 MPa

40

20

13 Đá cát kết hạt nhỏ mịn đến trung bình,

Ps= 5000 – 7000 MPa

Hình 4.3. Mức độ ảnh hƣởng của các thông số chế độ khoan tới tốc độ cơ học

a) b)

trong khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS-89

a) Đá bột kết màu xám đen; Ps= 2000 – 3000 Mpa

b) Đá cát kết hạt nhỏ mịn đến trung bình, Ps= 5000 – 7000 MPa

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 Tốc độ quay cột cần khoan, v/ph

=2840

=920

120

160

200

Tốc độ cơ học Vm, cm/ph.

x a

24 55 97 465 2199 - 1128 182 4

24 79 176 641 - - - 186 4

7 8 13 40 853 635 279 35 - 1870

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

- - - - 30 70 76 23 4 203

10 15 16 27 600 1483 564 120 - 2835

7 8 13 301 251 57 27 - - 664

24 31 42 368 1734 2245 946 178 4 5572

=226

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

690

-104

932

=1518

10816

476100

868624

(

255

1308

=1616

=2840- 1314= 1526 ;

= 2840 +1314 +2(920 +175) =6446 ;

= (6446)2/5572 = 418

=6446 – 1616 = 4830;

= 1616 – 418 = 1198;

= 6446 – 418 = 6028;

x 1198 0,20

z 4830 0,80

y 6028 1,0

;

= 399/0,87 = 459 > 95

3 399

5568 0,87

5571

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 Tỷ tải trọng chiều trục (Py) lên mũi khoan, N/cm2

=3595

=2576

50-100

100-150

150-200

200-250

Tốc độ cơ học Vm, cm/ph.

x a

119 189 357 819 2111 - 826 40 -

119 308 665 1484 - - - 40 -

13 21 18 40 605 630 245 24 - 1596

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

- - - - 35 67 25 3 - 130

15 17 25 25 378 1227 495 13 - 2195

91 32 125 397 274 102 21 - - 1042

119 70 168 462 1292 2026 786 40 - 4963

=40

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

1224

125

2005

=3361

15625

1498176

4020025

(

939

3858

=4804

=3595- 866= 2729;

= 3595 +866 +2(2576 +40) =9693;

= (2729)2/4963 = 1501;

=9693 – 4804 = 4889;

= 4804 – 1501 = 3303 ;

= 9693 – 1501 = 8192;

;

x 3303 0,40

z 4889 0,60

y 8192 1,0

= 3303/0,4 = 1101 > 95

3 399

4959 0,98

4962 1,65

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

Lƣu lƣợng nƣớc rửa, l/ph

=2237

= 849

Tốc độ cơ học Vm, cm/ph.

x a

24 55 109 370 1679 - 1074 164 2

24 79 188 558 - - - 166 2

7 8 12 41 554 635 189 25 - 1471

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

8 12 27 16 473 1281 564 120 - 2501

- - - 3 31 68 80 17 2 201

9 11 15 201 251 157 77 - - 721

24 31 54 261 1309 2141 910 162 2 4894

= 168

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

500

160

-83

710

=1287

6889

25600

250000

504100

(

699

170

=913

=2237- 1240= 997 ;

= 2237 + 1240

+2(849 + 168) = 5511;

= (997)2/4894 = 203 ;

x 710 0,13

z 4598 0,87

y 5308 1,0

= 5511 – 913 = 4598;

= 913 – 203 = 710;

= 5511 – 203 = 5308;

3 237

4890 0,94

4993 1,06

;

= 3303/0,4 = 1101 > 95

Bảng 4.7. 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 bột kết cấp VII-VIII, Ps= 2000 -3000MPa; tải trọng chiều trục Po= 6000- 7000N; Q=50-60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã Tốc độ quay cột cần khoan, v/ph

=4196

=2732

120

160

200

Tốc độ cơ học Vm, cm/ph

x a

114 238 368 826 2650 - 1141 104 3

114 352 720 1546 - - - 107 3

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

- - - - 35 70 82 25 3 215

15 16 20 20 575 1347 631 35 - 2659

12 17 13 35 853 635 309 41 - 1913

87 91 97 403 361 95 17 - - 1151

114 124 130 458 1824 2147 1037 101 3 5938

=110

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

-106

113

742

2240

=2989

11236

12769

550564

5017600

(

288

4359

=4704

=4196 – 1248 = 2948;

= 4196 +1248 +2(2732 +110) = 11128

= (2948)2/5938 = 1464;

= 11128 – 4704 = 6424;

= 4704 – 1464 = 3240;

x 3240 0,34

z 6424 0,66

y 9664 1,0

= 11128 – 1464 = 9664;

;

= 1080/0,66

= 1636 > 95

3 1080

5934 0,66

5937

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 Tỷ tải trọng chiều trục lên mũi khoan, N/cm2

=4230

=2576

50-100

100-150

150-200

200-250

Tốc độ cơ học Vm, cm/ph.

x a

125 264 410 879 2552 - 1027 73 -

125 389 799 1678 - - - 73 -

15 21 18 31 764 675 297 43 - 1864

17 17 21 23 486 1317 595 25 - 2501

93 101 107 405 376 105 37 - - 1234

125 139 146 469 1673 2172 954 73 - 5751

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

- - - - 47 75 25 5 - 152

=73

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

699

128

2359

=3198

16384

488601

5564881

144

(

262

4510

=4779

= 4230 – 1100 = 3130 ;

=4230 + 1100 +2(2991 + 73) = 11458;

= (3130)2/5751 = 1704;

= 11458 – 4779 = 6679;

= 4779 – 1704 = 3075 ;

x 3075 0,32

z 6679 0,68

y 9754 1,0

= 11458 – 1704 = 9754;

;

= 3075 /0,32

3 1025

5747 1,16

5750 1,69

= 1025 > 95

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

Lƣu lƣợng nƣớc rửa, l/ph

= 3356

= 1402

Tốc độ cơ học Vm, cm/ph

44 98 158 616 2440 - 1173 137 3

44 142 300 916 - - - 140 3

12 17 13 35 853 635 307 41 - 1973

a +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

- - - - 35 70 82 25 3 215

15 16 20 20 575 1347 630 68 - 2691

17 21 27 403 361 95 17 - - 941

44 54 60 458 1824 2147 1036 134 3 5760

= 140

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

701

-106

1400

= 2043

11236

2304

491401

1960000

(

257

2083

= 2392

= 3356 – 1313 = 2043 ;

= 3356 + 1313 +2(1402 + 140) = 7753;

= (2043)2/5760 = 725 ;

= 7753 – 2392 = 5361;

= 2392 – 725 = 1667;

x C

= 7753 – 725 = 7028;

;

1667 0,24

z 5361 0,76

y 7028 1,0

= 3303/0,4 = 1101 > 95

3 556

5756 0,93

5759 1,22

Từ các kết nghiên cứu ta thấy mức độ ảnh hƣởng của các thông số công

nghệ khoan tới tốc độ cơ học trong khoan ngang không giống nhau mà phụ

thuộc chủ yếu vào tính chất cơ lý đá. Đá càng cứng thì mức độ ảnh hƣởng của

tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học lớn hơn mức độ ảnh hƣởng của tốc độ

quay cột cần khoan; khi khoan đá trung bình cứng thì mức độ ảnh hƣởng của

tốc độ quay cột cần khoan tới tốc độ cơ học lớn hơn mức độ ảnh hƣởng của

tải trọng chiều trục.

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

lý

Mục đích của thử nghiệm là xác sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tải

trọng chiều trục Vm= f(Po) và tốc độ quay cột cần khoan Vm= f(n) khi khoan

ngang trong các loại đá khác nhau bằng bộ ống mẫu luồn PS-89, mũi khoan

kiểu HS-C và thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W ở điều kiện mỏ

Mạo Khê. Trên cơ sở đó, sẽ lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp

lý với điều kiện khoan các lỗ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê bằng bộ

ống mẫu luồn PS-89 và thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W. Thiết bị

khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W đƣợc trang bị đồng hồ đo công suất tiêu

hao cho khoan (kW), tốc độ quay cột cần khoan (n), momen xoắn (N.m); tải

trọng chiều trục truyền cho mũi khoan (N); tần số đập nđ (lần/ph) và lƣu

lƣợng nƣớc rửa (l/ph). Tác giả đã khoan thử nghiệm trong hai loại đá trầm

tích đặc trƣng cho Mạo Khê là đá bột, đồng nhất, cấp VII-VIII theo độ khoan,

Ps= 2000 -3000MPa và cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X theo độ khoan, Ps=

5000 -7000MPa. Trình tự thử nghiệm nhƣ sau:

1. Giữ nguyên tốc độ quay cột cần khoan (80v/ph; 120v/ph; 160v/ph;

200v/ph; 240v/ph) và thay đổi tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan từ

5000N đến 13000N, không có sự tham gia của lực đập.

2. Giữ nguyên tải trọng chiều trục (5000N; 7000N; 9000N; 11000N;

13000N) và thay đổi tốc độ quay cột cần khoan từ 80v/ph đến 240v/ph, không

có sự tham gia của lực đập.

3. Giữ nguyên tốc độ quay cột cần khoan (80v/ph; 120v/ph; 160v/ph;

200v/ph) và thay đổi tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan phá đá từ

5000N đến 10000N và có sự tham gia của lực đập với tần số đập nđ = 800;

1000; 1200lần/ph.

4. Giữ nguyên tải trọng chiều trục (5000N; 7000N; 9000N; 10000N) và

thay đổi tốc độ quay cột cần khoan từ 80v/ph đến 200v/ph và có sự tham gia

của lực đập với tần số đập nđ = 800; 1000; 1200lần/ph.

Dung dịch dùng trong quá trình khoan là nƣớc lã; lƣu lƣợng Q = 50 -

60l/ph; chiều dài lỗ khoan khi tiến hành thử nghiệm từ 165,0m đến 195,0m.

Thời gian quan trắc từng khoảng khoan 10 phút. Tốc độ cơ học khoan trong

từng khoảng khoan xác định theo công thức:

(4.4)

Trong đó: - tốc độ cơ học khoan, m/h; - số mét khoan đƣợc (m) sau

khoảng thời gian (giờ);

Và năng lƣợng chi phí cho phá huỷ đá:

(4.5)

Trong đó : - chi phí năng lƣợng phá huỷ đá, kW.h/m; -công suất chi phí

cho khoan, kW.

Các kết quả quan trắc số liệu và tính toán đƣợc trình bày từ bảng 4.10

đến bảng 4.17.

Trên cơ sở các kết quả tính toán từ bảng 4.10 đến bảng 4.17 ta dựng các

đồ thị Vm = f(Po); và E=f(Po) (từ hình 4.4 đến hình 4.19).

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

n, v/ph

t, phút

N, kW

Po, N

l, cm Vm, m/h

80 80 80 80 80

5000 7000 9000 11000 13000

10 11,30 11,8 10 12,1 10 12,9 10 13,2 10

0,68 0,71 0,73 0,77 0,79

0,58 0,82 1,05 1,28 1,52

E, kW-h/m 0,86 1,15 1,45 1,66 1,92

120 120 120 120 120

10 10 10 10 10

12,2 13,4 14,6 16,6 17

0,73 0,80 0,88 1,00 1,02

0,88 1,23 1,58 1,93 2,28

1,20 1,53 1,80 1,93 2,23

5000 7000 9000 11000 13000

160 160 160 160 160

14,2 10 10 16,2 10 18,04 10 20,57 20,7 10

0,85 0,97 1,08 1,23 1,24

1,17 1,64 2,10 2,57 3,04

1,37 1,68 1,94 2,08 2,45

5000 7000 9000 11000 13000

200 200 200 200 200

10 10 10 10 10

16,8 19,2 21,4 23,6 23,5

1,01 1,15 1,28 1,42 1,41

1,46 2,04 2,63 3,21 3,80

1,45 1,77 2,05 2,27 2,69

5000 7000 9000 11000 13000

240 240 240 240 240

5000 7000 9000 11000 13000

10 10 10 10 10

19,2 20,3 25,2 27,3 27,4

1,15 1,22 1,51 1,64 1,64

1,75 2,45 3,15 3,85 4,56

1,52 2,01 2,09 2,35 2,77

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

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

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

t, phút n, v/ph nđ, lần/ph Po, N l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

800 5000 10 11,70 0,70 0,58 0,83 80

10 13,5 800 7000 0,81 0,82 1,01 80

10 16,7 800 9000 1,00 1,05 1,05 80

10 19,2 800 11000 1,15 1,28 1,12 80

10 14,2 800 5000 0,85 0,88 1,03 120

10 15,8 800 7000 0,95 1,23 1,29 120

10 21,1 800 9000 1,27 1,58 1,25 120

10 23,7 800 11000 1,42 1,93 1,36 120

10 18,1 800 5000 1,09 1,17 1,08 160

10 21,1 800 7000 1,27 1,64 1,29 160

10 26,7 800 9000 1,60 2,10 1,31 160

10 28,9 800 11000 1,73 2,57 1,48 160

10 23,7 800 5000 1,42 1,46 1,03 200

10 26,5 800 7000 1,59 2,04 1,29 200

10 29,8 800 9000 1,79 2,63 1,47 200

10 32,8 800 11000 1,97 3,21 1,63 200

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

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

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

nđ,

n, v/ph lần/ph t, phút Po, N l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

1000 5000 10 12,80 0,77 0,58 0,76 80

1000 7000 10 14,5 0,87 0,82 0,94 80

1000 9000 10 18,7 1,12 1,05 0,94 80

1000 11000 10 21,3 1,28 1,28 1,01 80

1000 5000 10 15,2 0,91 0,88 0,96 120

1000 7000 10 17,9 1,07 1,23 1,14 120

1000 9000 10 22,1 1,33 1,58 1,19 120

1000 11000 10 24,8 1,49 1,93 1,30 120

1000 5000 10 20,1 1,21 1,17 0,97 160

1000 7000 10 22,8 1,37 1,64 1,20 160

1000 9000 10 25,6 1,54 2,10 1,37 160

1000 11000 10 27,3 1,64 2,57 1,57 160

1000 5000 10 24,7 1,48 1,46 0,99 200

1000 7000 10 26,8 1,61 2,04 1,27 200

1000 9000 10 31,2 1,87 2,63 1,40 200

1000 11000 10 33,9 2,03 3,21 1,58 200

100

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

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

101

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

n, nđ,

v/ph lần/ph t, phút Po, N l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

1200 5000 10 13,50 0,81 0,58 0,72 80

1200 7000 10 15,8 0,95 0,82 0,86 80

1200 9000 10 16,7 1,00 1,05 1,05 80

1200 11000 10 18,5 1,11 1,28 1,16 80

1200 5000 10 18,9 1,13 0,88 0,77 120

1200 7000 10 21,2 1,27 1,23 0,96 120

1200 9000 10 23 1,38 1,58 1,14 120

1200 11000 10 25,1 1,51 1,93 1,28 120

1200 5000 10 24,9 1,49 1,17 0,78 160

1200 7000 10 27,7 1,66 1,64 0,98 160

1200 9000 10 28,3 1,70 2,10 1,24 160

1200 11000 10 29 1,74 2,57 1,48 160

1200 5000 10 34,9 2,09 1,46 0,70 200

1200 7000 10 35,1 2,11 2,04 0,97 200

1200 9000 10 38,8 2,33 2,63 1,13 200

1200 11000 10 39 2,34 3,21 1,37 200

102

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

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

103

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

n, v/ph t, phút Po, N l, cm Vm, m/h N, kW

10 10,50 11,2 10 11,8 10 12,1 10 12,5 10 0,63 0,67 0,71 0,73 0,75 0,58 0,82 1,05 1,28 1,52 E, kW.h/m 0,93 1,22 1,48 1,77 2,02

80 5000 80 7000 9000 80 80 11000 80 13000

10 10 10 10 10 12,2 13,8 14,3 15,3 16,1 0,73 0,83 0,86 0,92 0,97 0,88 1,23 1,58 1,93 2,28 1,20 1,48 1,84 2,10 2,36

5000 120 7000 120 120 9000 120 11000 120 13000

0,83 0,97 1,08 1,23 1,16 1,17 1,64 2,10 2,57 3,04 1,41 1,68 1,94 2,08 2,61

5000 160 7000 160 160 9000 160 11000 160 13000

10 13,8 16,2 10 10 18,04 10 20,57 10 19,36 10 15,21 18,7 10 20 10 22,8 10 22,2 10 0,91 1,12 1,20 1,37 1,33 1,46 2,04 2,63 3,21 3,80 1,60 1,82 2,19 2,35 2,85

5000 200 7000 200 200 9000 200 11000 200 13000

5000 240 7000 240 9000 240 240 11000 240 13000 10 10 10 10 10 18,4 22,7 23,5 26,8 25,4 1,10 1,36 1,41 1,61 1,52 1,75 2,45 3,15 3,85 4,56 1,59 1,80 2,24 2,40 2,99

104

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 -7000MPa

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 -7000MPa

105

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

nđ,

n, v/ph t, phút lần/ph Po, N l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

800 5000 10 10,20 80 0,61 0,58 0,95

10 11,3 800 7000 80 0,68 0,82 1,21

10 12,9 800 9000 80 0,77 1,05 1,36

10 15,3 800 11000 80 0,92 1,28 1,40

10 13,6 800 5000 120 0,82 0,88 1,07

10 14,7 800 7000 120 0,88 1,23 1,39

10 17,9 800 9000 120 1,07 1,58 1,47

10 18,9 800 11000 120 1,13 1,93 1,70

10 17,8 800 5000 160 1,07 1,17 1,09

10 19,1 800 7000 160 1,15 1,64 1,43

10 21,9 800 9000 160 1,31 2,10 1,60

10 23,9 800 11000 160 1,43 2,57 1,79

10 22,5 800 5000 200 1,35 1,46 1,08

10 23,8 800 7000 200 1,43 2,04 1,43

10 25,9 800 9000 200 1,55 2,63 1,69

10 27,7 800 11000 200 1,66 3,21 1,93

106

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 -7000MPa, nđ = 800lần/ph

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 -7000MPa, nđ = 800lần/ph

107

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

nđ,

n, v/ph t, phút lần/ph Po, N l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

1000 5000 10 11,70 0,70 0,58 0,83 80

10 12,8 0,77 0,82 1,06 1000 7000 80

10 13,9 0,83 1,05 1,26 1000 9000 80

10 16,2 0,97 1,28 1,32 1000 11000 80

10 15,2 0,91 0,88 0,96 1000 5000 120

10 16,8 1,01 1,23 1,22 1000 7000 120

10 18,9 1,13 1,58 1,39 1000 9000 120

10 20,3 1,22 1,93 1,58 1000 11000 120

10 19,8 1,19 1,17 0,98 1000 5000 160

10 21,1 1,27 1,64 1,29 1000 7000 160

10 23,9 1,43 2,10 1,47 1000 9000 160

10 25,8 1,55 2,57 1,66 1000 11000 160

10 24,9 1,49 1,46 0,98 1000 5000 200

10 26,7 1,60 2,04 1,28 1000 7000 200

10 30,6 1,84 2,63 1,43 1000 9000 200

10 33,5 2,01 3,21 1,60 1000 11000 200

108

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 -7000MPa, nđ = 1000lần/ph

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 -7000MPa, nđ = 1000lần/ph

109

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

nđ,

n, v/ph t, phút lần/ph Po, N l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

1200 5000 10 13,50 80 0,81 0,58 0,72

10 15,8 80 1200 7000 0,95 0,82 0,86

10 16,7 80 1200 9000 1,00 1,05 1,05

10 18,5 80 1200 11000 1,11 1,28 1,16

10 18,9 120 1200 5000 1,13 0,88 0,77

10 21,2 120 1200 7000 1,27 1,23 0,96

10 23 120 1200 9000 1,38 1,58 1,14

10 25,1 120 1200 11000 1,51 1,93 1,28

10 24,9 160 1200 5000 1,49 1,17 0,78

10 27,7 160 1200 7000 1,66 1,64 0,98

10 28,3 160 1200 9000 1,70 2,10 1,24

10 29 160 1200 11000 1,74 2,57 1,48

10 34,9 200 1200 5000 2,09 1,46 0,70

10 35,1 200 1200 7000 2,11 2,04 0,97

10 38,8 200 1200 9000 2,33 2,63 1,13

10 39 200 1200 11000 2,34 3,21 1,37

110

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 -7000MPa, nđ = 1200lần/ph

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 -7000MPa, nđ = 1200lần/ph

111

Khoan xoay - đập

Chế độ khoan Khoan xoay thuần túy

nđ = 800lần/ph

nđ = 1200lần/ph

nđ = 1000lần/ph

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

0,83 1,03 1,08 1,03

0,76 0,96 0,97 0,99

0,72 0,77 0,78 0,70

n, v/ph 80 120 160 200 240

Po, N 5000 5000 5000 5000 5000

0,93 1,20 1,37 1,45 1,52

1,01 1,29 1,29 1,29

0,94 1,14 1,20 1,27

0,86 0,96 0,98 0,97

80 120 160 200 240

7000 7000 7000 7000 7000

1,15 1,53 1,68 1,77 2,01

0,94 1,25 1,31 1,47

0,94 1,19 1,37 1,40

1,05 1,14 1,24 1,13

80 120 160 200 240

9000 9000 9000 9000 9000

1,45 1,80 1,94 2,05 2,09

1,12 1,36 1,48 1,63

1,01 1,30 1,57 1,58

1,16 1,28 1,48 1,37

80 120 160 200 240

11000 11000 11000 11000 11000

0,63 0,58 0,73 0,88 0,85 1,17 1,01 1,46 1,15 1,75 0,71 0,82 0,80 1,23 0,97 1,64 1,15 2,04 1,22 2,45 0,73 1,05 0,88 1,58 1,08 2,10 1,28 2,63 1,51 3,15 0,77 1,28 1,00 1,93 1,23 2,57 1,42 3,21 1,64 3,85

1,66 1,93 2,08 2,27 2,35

0,70 0,58 0,85 0,88 1,09 1,17 1,42 1,46 0,81 0,82 0,95 1,23 1,27 1,64 1,59 2,04 1,12 1,05 1,27 1,58 1,60 2,10 1,79 2,63 1,15 1,28 1,42 1,93 1,73 2,57 1,97 3,21

0,77 0,58 0,91 0,88 1,21 1,17 1,48 1,46 0,87 0,82 1,07 1,23 1,37 1,64 1,61 2,04 1,12 1,05 1,33 1,58 1,54 2,10 1,87 2,63 1,28 1,28 1,49 1,93 1,64 2,57 2,03 3,21

0,81 0,58 1,13 0,88 1,49 1,17 2,09 1,46 0,95 0,82 1,27 1,23 1,66 1,64 2,11 2,04 1,00 1,05 1,38 1,58 1,70 2,10 2,33 2,63 1,11 1,28 1,51 1,93 1,74 2,57 2,34 3,21

Bảng 4.18. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa

112

Vm khi khoan xoay thuần túy

E khi khoan xoay thuần túy

Vm khi nđ=1000lần/ph

E khi nđ=1000lần/ph

Vm khi nđ=1200lần/ph

E khi nđ=1200lần/ph

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

Vm khi khoan xoay thuần túy

E khi khoan xoay thuần túy

Vm khi nđ=1000lần/ph

E khi nđ=1000lần/ph

Vm khi nđ=1200lần/ph

E khi nđ=1200lần/ph

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

113

Khoan xoay - đập

Chế độ khoan Khoan xoay thuần túy

nđ = 800lần/ph

nđ = 1000lần/ph

nđ = 1200lần/ph

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

Vm, m/h

N, kW

E, kW.h/m

0,95 1,07 1,09 1,08

0,83 0,96 0,98 0,98

0,58 0,80 0,80 0,72

n, v/ph 80 120 160 200 240

Po, N 5000 5000 5000 5000 5000

0,93 1,20 1,41 1,60 1,59

0,93 1,39 1,43 1,43

1,06 1,22 1,29 1,28

0,96 0,99 1,02 0,94

80 120 160 200 240

7000 7000 7000 7000 7000

1,22 1,48 1,68 1,82 1,80

1,36 1,47 1,60 1,69

0,93 1,39 1,47 1,43

1,12 1,16 1,25 1,14

80 120 160 200 240

9000 9000 9000 9000 9000

1,48 1,84 1,94 2,19 2,24

1,40 1,70 1,79 1,93

1,32 1,58 1,66 1,60

1,20 1,33 1,47 1,37

80 120 160 200 240

11000 11000 11000 11000 11000

0,63 0,58 0,73 0,88 0,83 1,17 0,91 1,46 1,10 1,75 0,67 0,82 0,83 1,23 0,97 1,64 1,12 2,04 1,36 2,45 0,71 1,05 0,86 1,58 1,08 2,10 1,20 2,63 1,41 3,15 0,73 1,28 0,92 1,93 1,23 2,57 1,37 3,21 1,61 3,85

1,77 2,10 2,08 2,35 2,40

0,61 0,58 0,82 0,88 1,07 1,17 1,35 1,46 0,88 0,82 0,88 1,23 1,15 1,64 1,43 2,04 0,77 1,05 1,07 1,58 1,31 2,10 1,55 2,63 0,92 1,28 1,13 1,93 1,43 2,57 1,66 3,21

0,70 0,58 0,91 0,88 1,19 1,17 1,49 1,46 0,77 0,82 1,01 1,23 1,27 1,64 1,60 2,04 1,13 1,05 1,13 1,58 1,43 2,10 1,84 2,63 0,97 1,28 1,22 1,93 1,55 2,57 2,01 3,21

1,01 0,58 1,09 0,88 1,46 1,17 2,03 1,46 0,85 0,82 1,24 1,23 1,60 1,64 2,18 2,04 0,94 1,05 1,36 1,58 1,68 2,10 2,31 2,63 1,07 1,28 1,45 1,93 1,75 2,57 2,35 3,21

Bảng 4.19. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa

114

Vm khi khoan xoay thuần túy

E khi khoan xoay thuần túy

Vm khi nđ=1000lần/ph

E khi nđ=1000lần/ph

Vm khi nđ=1200lần/ph

E khi nđ=1200lần/ph

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

Vm khi khoan xoay thuần túy

E khi khoan xoay thuần túy

Vm khi nđ=1000lần/ph

E khi nđ=1000lần/ph

Vm khi nđ=1200lần/ph

E khi nđ=1200lần/ph

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

115

Từ các kết quả thử nghiệm trên, ta có thể rút ra một số nhận xét nhƣ sau:

1. Khi khoan xoay thuần túy bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và

bộ ống mẫu luồn PS-89, tốc độ cơ học tăng khi tăng tốc độ quay cột cần

khoan và tải trọng chiều trục (bảng 4.10; hình 4.4; hình 4.5 và bảng 4.14; hình

4.12; hình 4.13). Khi tăng tốc độ quay cột cần khoan từ 80v/ph - 200v/ph và

tải trọng chiều trục đến 11.000N, tốc độ cơ học tăng tuyến tính. Khi tăng tốc

độ quay cột cần khoan đến 240v/ph và tăng tải trọng chiều trục, tốc độ cơ học

có tăng nhƣng không theo tuyến tính. Tốc độ cơ học đạt giá trị cao nhất khi

tải trọng chiều trục tăng đến 11.000N. Khi giá trị tải trọng chiều trục tăng đến

13.000N thì tốc độ cơ học giảm và năng lƣợng phá hủy đá tăng. Nguyên nhân

là do khi tăng tải trọng chiều trục, sẽ dẫn tới tăng độ ngập sâu của hạt cắt

trong mũi khoan vào đá. Do đó, sẽ làm giảm khả năng vận chuyển hạt mùn

khỏi đáy lỗ khoan hoặc có thể do nguyên nhân tốc độ quay cột cần khoan

chƣa hợp lý.

2. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy, khi sử dụng lực đập, tốc độ cơ

học tăng và năng lƣợng phá hủy đá cũng giảm đi rõ rệt (bảng 4.18; bảng 4.19

và hình 4.20; hình 4.21; hình 4.22; hình 4.23). Khi áp dụng chế độ khoan Po =

9000N, n = 200v/ph trong đá có độ cứng Ps = 2000 - 3000MPa theo Sreinher,

tốc độ cơ học Vm đạt 1,28m/h và năng lƣợng chi phí cho phá hủy đá lên tới

2,05kW.h/m; khi sử dụng năng lƣợng đập với tần số đập là nđ = 1200lần/ph,

tốc độ cơ học tăng lên 2,3m/h (tăng 1,9 lần) và năng lƣợng chi phí cho phá

hủy đá giảm chỉ bằng 55% so với năng lƣợng chi phí cho phá hủy khi không

sử dụng năng lƣợng đập.

Khi áp dụng chế độ khoan với tải trọng chiều trục Po = 11.000N, tốc độ

quay cột cần khoan n = 200v/ph trong đá có độ cứng Ps = 5000 - 7000MPa

theo Sreinher, tốc độ cơ học đạt 1,37m/h và năng lƣợng chi phí cho phá hủy

đá E 2,35kW.h/m (bảng 4.19 và hình 4.22, hình 4.23) đối với khoan xoay

116

thuần túy. Cũng với điều kiện và chế độ khoan nhƣ vậy, nhƣng khi khoan

xoay - đập với tần số đập nđ = 1200lần/ph, tốc độ cơ học Vm tăng lên tới

2,35m/h (tăng 1,72 lần hay 172%) và năng lƣợng phá hủy đá giảm chỉ bằng

53% so với năng lƣợng phá hủy đá khi không sử dụng năng lƣợng đập (bảng

4.19 và hình 4.22, hình 4.23).

3. Trên cơ sở kết quả thử nghiệm, ta lựa chọn chế độ công nghệ hợp lý

khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn

PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang dài tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò

vùng Mạo Khê nhƣ trình bày ở bảng 4.20.

Bảng 4.20. Thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý bằng thiết bị khoan

RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS -89

Tốc độ Tần số Lƣu lƣợng Tải trọng quay cột đập, nƣớc rửa, chiều trục, Đất đá cần kN lần /ph l/ph khoan,v/ph

Bột kết cấp VII-VIII, Ps= 7-9 160-180 900-1100 50-60 2000 -3000 MPa

Đá cát kết hạt nhỏ mịn 1000- 9-11 160-200 50-60 cấp IX- X, Ps= 5000 - 1200 7000 MPa

Khoan xoay - đập bằng bộ ống mẫu luồn PS-89 có ƣu điểm nâng cao tỷ

lệ mẫu khi khoan qua tầng đá nứt nẻ, bỏ rời, sét than và asgilit than; điều này

cho phép giảm mùn khoan ở đáy lỗ khoan và trong hệ tuần hoàn lỗ khoan.

Hình 4.24 mô tả hình ảnh mẫu khoan khi khoan qua địa tầng sét than và

argilit than bằng bộ ống mẫu luồn PS-89.

117

a) b) c)

Hình 4.24. Một số hình ảnh mẫu khoan trong tầng argilit than (a), sét than (b)

và cát kết bởi rời liên kết yếu (c) khi khoan bằng bộ ống mẫu luồn PS-89

4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức -80

Trong thời gian hiện nay, mục đích khoan tháo khí ở mỏ than Mạo Khê

và một số mỏ than khác ở vùng Quảng Ninh là nhằm giảm hàm lƣợng khí

Mêtan và các loại khí độc khác xâm nhập vào không gian làm việc trong hệ

thống các đƣờng lò, đảm bảo giới hạn an toàn cho phép, không xảy ra các sự

cố mất an toàn trong quá trình khai thác.

Vì vậy, khi tính hiệu quả khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê, sẽ tính

hiệu quả gián tiếp: xác định hàm lƣợng khí Mêtan trong luồng gió thải trƣớc

và sau khi tháo khí bằng các lỗ khoan ngang. Hiệu suất tháo khí từ các lỗ

khoan tăng lên, sẽ dẫn tới tăng năng suất khai thác do giảm thời gian ngừng

nghỉ do cảnh báo khí Mêtan vƣợt quá ngƣỡng cho phép và giới hạn mất an

toàn.

Theo kết quả quan trắc hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng gió thải

lò chợ vỉa 9Đ trƣớc khi tháo khí cao nhất là 1,62%, trung bình 0,73%; thấp

nhất 0,54% và thƣờng xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá ngƣỡng cảnh báo, ngắt điện

(hình 4.25). Sau khi tháo khí bằng các lỗ khoan ngang, hàm lƣợng khí Mêtan

cao nhất là 0,9 % (giảm gần 50% so với hàm lƣợng khí Mêtan cao nhất khi

chƣa tháo khí), trung bình là 0,66% và thấp nhất là 0,50%. Hàm lƣợng khí

118

Mêtan tƣơng đối ổn định, ít xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá ngƣỡng cảnh báo

(CH4 =1%), không có trƣờng hợp vƣợt quá ngƣỡng cắt điện (CH4= 1,3%). Vì

vậy, đã tăng hiệu quả sử dụng thời gian khai thác từ 5% - 10% do giảm thời

gian ngừng nghỉ vì cảnh báo hoặc ngắt điện; dẫn tới sản lƣợng khai thác than

ở lò chợ cũng tăng đến 33,4%. Đồng thời chi phí cho thông gió lò chợ giảm

30,4% so với trƣớc khi áp dụng hệ thống tháo khí [6, 7].

%

, 4

H C

1,3

18.4

19.4

17.4

20.4 Ngày quan trắc

Trƣớc khi tháo khí bằng các lỗ khoan ngang

Sau khi tháo khí bằng các lỗ khoan ngang

%

, 4

H C

21.4

22.4

23.4

24.4 Ngày quan trắc

Hình 4.25. Hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng gió thải lò chợ vỉa

9Đ trƣớc và sau khi tháo khí

119

Hiệu suất tháo khí Mêtan từ lỗ khoan xác định theo công thức:

(4.6)

Trong đó - hiệu suất tháo khí Mêtan,%; -lƣu lƣợng khí Mêtan

thoát ra từ lỗ khoan, m3/ph.; - lƣu lƣợng khí Mêtan thoát ra qua hệ thống

thông gió, m3/ph.

Hiệu suất tháo khí ở lò chợ 9Đ đƣợc mô tả ở hình 4.26. Từ hình 4.26 ta

thấy, hiệu suất tháo khí bằng các lỗ khoan ngang trung bình đạt 36,2%. Tuy

nhiên, đây là trạm khoan thử nghiệm cho một chu trình khai thác lò chợ. Bởi

vậy, nếu khai thác toàn bộ vỉa 9Đ ở mức -80, cần tiến hành xây dựng các trạm

khoan dọc đƣờng lò dọc vỉa thì hiệu suất tháo khí của toàn bộ khi lò chợ vỉa

9Đ sẽ đạt hiệu quả hơn.

Hình 4.26. Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ vỉa 9Đ mỏ than Mạo Khê

Từ các kết quả thử nghiệm khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê bằng

thiết bị khoan xoay –đập RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89, ta có

thể rút ra một số nhận xét sau:

1. Mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ công nghệ khoan ngang

bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89 tới tốc độ

cơ học khác nhau và phụ thuộc vào tính chất cơ lý đá. Khi khoan trong đá bột

kết màu xám đen, độ cứng Ps= 2000 – 3000MPa, ảnh hƣởng của tải trọng

120

chiều trục truyền cho mũi khoan là 32%, tốc độ quay cột cần khoan 34% và

lƣu lƣợng nƣớc rửa 34%; khi khoan đá cát kết hạt nhỏ mịn, Ps= 5000 –

7000MPa theo Sreinher, ảnh hƣởng của tải trọng chiều trục truyền cho mũi

khoan là 40%, tốc độ quay cột cần khoan 20% và lƣu lƣợng nƣớc rửa 13%.

2. Từ các kết quả thử nghiệm, ta thấy chế độ công nghệ hợp lý khoan

các lỗ khoan ngang dài tháo khí bằng thiết bị khoan xoay-đập RPD-130SL-

F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89 nhƣ sau: tải trọng chiều trục truyền cho mũi

khoan nằm trong khoảng P = 9000N - 11000N; tốc độ quay cột cần khoan n

= 160 - 200v/ph; lƣu lƣợng nƣớc rửa Q = 50-60l/ph; tần số đập nđ = 1000 -

1200lần/ph, khi khoan đá cát kết, đồng nhất hạt nhỏ mịn cấp VIII-IX, Ps=

5000 -7000 MPa. Khi khoan đá bột kết đồng nhất cấp VII-VIII, Ps= 2000 -

3000MPa, tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan nằm trong khoảng từ

7000N- 9000N và tƣơng ứng với giá trị vòng quay từ 160v/ph – 180v/ph; tần

số đập từ 800 - 1100lần/ph.

3. Áp dụng thiết bị khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ ống luồn

PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê cho phép tăng

tốc độ cơ học từ 1,3 lần đến 1,65 lần và năng lƣợng phá hủy đá giảm từ 77%

đến 43% so với khoan xoay khi khoan trong đá cấp VII-VIII theo độ khoan,

Ps = 2000MPa - 3000MPa; tăng từ 1,6 lần đến 1,72 lần và năng lƣợng phá hủy

đá giảm từ 62% đến 58% so với khoan xoay khi khoan trong đá cấp IX-X

theo độ khoan, Ps = 5000MPa - 7000MPa. 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, cùng chế độ

khoan nhƣng không sử dụng năng lƣợng đập.

4. Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ 9Đ bằng các lỗ khoan ngang trung

bình đạt 36,2%. Sau khi tháo khí, hàm lƣợng khí Mêtan tƣơng đối ổn định, ít

xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá ngƣỡng cảnh báo (CH4 =1%), không có trƣờng

121

hợp vƣợt quá ngƣỡng cắt điện (CH4= 1,3%). Do đó, đã tăng thời gian khai

thác từ 5% - 10% do giảm thời gian ngừng nghỉ vì cảnh báo hoặc ngắt điện,

dẫn tới sản lƣợng khai thác than ở lò chợ tăng đến 33,4%. Đồng thời chi phí

cho thông gió lò chợ giảm 30,4% so với trƣớc khi áp dụng hệ thống tháo khí.

122

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Từ các kết quả nghiên cứu tác giả có một số kết luận sau:

1. Địa tầng chứa than ở mỏ Mạo Khê là địa tầng trầm tích bao gồm các

vỉa than, các lớp sét kết, sét than, bột kết, cát kết, sạn kết và cuội kết. Cấu trúc

khá phức tạp bao gồm nhiều đứt gẫy, phá huỷ... Các yếu tố này đã ảnh hƣởng

không nhỏ tới lựa chọn kỹ thuật - công nghệ khoan.

Mỏ than Mạo Khê thuộc loại mỏ nguy hiểm về khí Mêtan với độ thoát khí tƣơng đối là 15,58 m3/T.ng.đ. Quá trình thoát khí Mêtan đồng hành cùng

quá trình khai thác và diễn biến phức tạp phụ thuộc vào loại lò, công nghệ

khai thác; đặc điểm cấu trúc vỉa than, cấu trúc đá bao quanh, độ thẩm thấu và

đặc điểm tàng trữ khí trong vỉa than, trong đá bao quanh. Vì vậy, việc nghiên

cứu lựa chọn phƣơng pháp tháo khí phù hợp với điều kiện địa chất, điều kiện

khai thác ở mỏ Mạo Khê để đảm an toàn trong khai thác và bảo vệ môi trƣờng

là việc cần thiết , có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2. Lựa chọn phƣơng pháp khoan xoay - đập bằng thiết bị khoan xoay -

đập RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan

ngang dài tháo khí Mêtan là hợp lý, phù hợp với điều kiện khai thác mỏ và

nhu cầu tháo khí hiện tại ở mỏ Mạo Khê.

Kết quả nghiên cứu thử nghiệm trong điều kiện thực tế ở mỏ Mạo Khê

cho thấy tốc độ cơ học khi khoan các lỗ khoan ngang tháo khí bằng thiết bị

khoan xoay - đập RPD-130SL-F2W và bộ ống luồn PS-89 tăng trung bình từ

1,45 đến 1,7 lần và năng lƣợng phá hủy đá giảm trung bình từ 70% đến 51%

so với khoan xoay trong cùng một điều kiện đất đá, cùng chế độ khoan nhƣng

không sử dụng tần số đập của cơ cấu đập.

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thử nghiệm trong điều kiện thực tế, tác

giả đã lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý bằng thiết bị khoan

123

xoay- đập RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ

khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo Khê nhƣ sau: tải trọng chiều

trục truyền cho mũi khoan nằm trong khoảng Po = 9000N - 11000N; tốc độ

quay cột cần khoan n = 170v/ph - 190v/ph; lƣu lƣợng nƣớc rửa Q = 50 -

60l/ph; tần số đập nđ = 1000 - 1200lần/ph, khi khoan đá cát kết, đồng nhất, hạt

nhỏ mịn cấp VIII-IX, Ps= 5000 -7000MPa và khi khoan trong đá bột kết đồng

nhất cấp VII-VIII , Ps= 2000 -3000MPa, tải trọng chiều trục Po truyền cho

mũi khoan nằm trong khoảng từ 7000N- 9000N và tƣơng ứng với giá trị vòng

quay n = 160v/ph – 180v/ph; tần số đập nđ = 900 - 1100lần/ph.

3. Hiệu suất tháo khí Mêtan ở lò chợ vỉa than 9Đ mỏ Mạo Khê bằng

các lỗ khoan ngang trung bình đạt 36,2%. Do đó đã tăng hiệu quả sử dụng

thời gian khai thác từ 5% - 10%, dẫn tới sản lƣợng khai thác than ở lò chợ

cũng tăng đến 33,4%. Đồng thời chi phí cho thông gió lò chợ giảm 30,4% so

với trƣớc khi áp dụng hệ thống tháo khí.

KIẾN NGHỊ

Đề nghị áp dụng phƣơng pháp khoan xoay - đập kết hợp với công nghệ

khoan ống mẫu luồn và các kết quả nghiên cứu của luận án để khoan các lỗ

khoan ngang dài tháo khí Mêtan ở một số mỏ than khai thác hầm lò vùng

Quảng Ninh có nhu cầu tháo khí Mêtan và điều kiện địa chất, điều kiện khai

thác tƣơng tự nhƣ mỏ than Mạo Khê.

Trong quá trình áp dụng, cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện công nghệ

khoan xoay - đập, lựa chọn thiết bị, chế độ công nghệ khoan phù hợp với từng

điều kiện khoan cụ thể và nhu cầu tháo khí của mỏ.

124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1. Phan Xuân Dƣơng, Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân (2004). Nghiên

cứu áp dụng Công nghệ khoan tháo khí nhằm nâng cao hiệu quả an toàn

ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh, Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa

chất lần thứ 16, Hà Nội, tr.220-227.

2. Phan Xuân Dƣơng, Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân (2008). Công

nghệ khoan các giếng đường kính lớn mở vỉa khí hóa than ngầm, Hội

nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 18, Hà Nội, tr.74-78.

3. Trần Đình Kiên, Nguyễn Trần Tuân (2009), Một số vấn đề lựa chọn

phương pháp khoan các lỗ khoan thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai

thác hầm lò, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần thứ XX,

Vũng Tàu, tr.182-186.

4. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân (2004), Nghiên cứu công nghệ

khoan tháo khí nhằm thu hồi khí Mêtan và ngăn ngừa cháy nổ khí trong

các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, Thông tin Khoa học Công nghệ

Mỏ số 7, Hà Nội, tr.22-25.

5. Nguyễn Xuân Thảo. Nguyễn Trần Tuân, Nguyễn Tử Vinh (2004), Nghiên

cứu lựa chọn công nghệ khoan tháo khô nước ở các mỏ than hầm lò

Quảng Ninh, Thông tin Khoa học Công nghệ Mỏ số 3, Hà Nội, tr.16-18.

6. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân, Nguyễn Tử Vinh (2004) một số

vấn đề lựa chọn thiết bị khoan thăm dò trong hầm lò, Thông tin Khoa

học Công nghệ Mỏ số 2, Hà Nội, tr.5-6

7. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Tử Vinh , Nguyễn Hữu Huấn, Nguyễn Trần

Tuân (2012), Công nghệ khoan tháo khô mỏ khai thác hầm lò dưới bãi

đổ thải, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 40/10-2012, Hà

Nội, tr.1-6.

125

8. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân, Nguyễn Tử Vinh (2009), Đặc

điểm công nghệ khoan các lỗ khoan ngang dài thăm dò trong hầm lò,

Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần thứ XX, Vũng Tàu,

tr.177-181.

9. Nguyễn Trần Tuân, Trần Đình Kiên, Nguyễn Xuân Thảo (2012), Nghiên

cứu sự ảnh hưởng của các thông số chế độ khoan tới hiệu quả khoan

ngang tháo khí Mêtan ở mỏ than Mạo Khê, Tạp chí Khoa học kỹ thuật

Mỏ - Địa chất, số 40/10-2012, Hà Nội, tr.7-12.

10. Nguyễn Trần Tuân, Trần Đình Kiên, Nguyễn Xuân Thảo (2011), Các

dạng phức tạp điển hình khi khoan ngang tháo khí Mêtan từ các vỉa than

trong mỏ hầm lò, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 34/4-

2011, Hà Nội, tr.41-44.

11. Nguyễn Trần Tuân, Nguyễn Xuân Thảo, Trần Thành Công, Nguyễn Tử

Vinh (2006), Đặc điểm công nghệ và kết quả thử nghiệm khoan ngang

xoay- đập bằng bộ ống mẫu luồn trong hầm lò ở Công ty than Mạo Khê,

Tuyển tập các công trình khoa học, kỷ niệm 40 năm thành lập Bộ môn

Khoan - Khai thác (1966-2006), tr.84-87.

12. Pham Quang Hieu, Nguyen Xuan Thao, Nguyen Tran Tuan, Nguyen Tu

Vinh (2008), Study on the application of drainage drilling for prevention

of water breakout at underground coal mines in Quangninh, Proceedings

of the international conference on advances on mining and tunneling 20-

21, August 2008, Ha Noi, Viet Nam, pp.384-390.

13. Nguyen Xuan Thao, Nguyen Tran Tuan, Tran Dinh Kien (2006), Some

problems on the research and development on the application of the

Mêtan draining boring technology to prevent hazards in underground

coal mines in Vietnam, Journal of Coal Science & Engineering, China-

ISSN 1006-9097, pp 100-103, Vol.12 N0 2- 2006, pp.129-133.

126

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trần Tú Ba và nnk (2002), Qui hoạch phân loại mỏ theo cấp khí nổ để phát

triển ngành than trong vùng Quảng ninh đến năm 2010, Báo cáo tổng két

đề tài năm 2002, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-2002, Hà Nội

2. Trần Tú Ba, Phạm Chân chính, Bùi Việt Hƣng, Một số kết quả xác định độ

chứa khí metan của các vỉa than, Kết quả nghiên cứu và triển khai khoa

học công nghệ giai đoạn 2002-2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ.

3. Phùng Mạnh Đắc, Nguyễn Anh Tuấn, Đánh giá tình hình tài nguyên than

và các khoáng sản có ích đi kèm, Kết quả nghiên cứu và triển khai khoa

học công nghệ giai đoạn 2002-2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ.

4. Phùng Mạnh Đắc và nnk (1998), Tổng quan về công nghệ thu hồi và sử

dụng khí Mêtan từ nguồn khí thải mỏ và từ các vỉa than vào mục đích

kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, Báo cáo tổng kết đề tài, Viện

Khoa học Công nghệ Mỏ.

5. Phùng Quốc Huy, Sasaki Kyuro, Sugai Yuichi (2008), Nghiên cứu xác định

độ thẩm thấu khí, Thông tin Khoa học công nghệ Mỏ số 3, Hà Nội.

6. Phùng Quốc Huy, Trần Tú Ba, Bùi Việt Hƣng, Nguyễn Minh Phiên, Đỗ

Mạnh Hải, Lựa chọn phương pháp tháo khí Mêtan hợp lý nhằm đảm bảo

an toàn trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh, Tuyển tập báo

cáo Hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ 22 “Khai thác và sử

dụng hợp lý tài nguyên khoáng sản", Nha Trang.

7. Nguyễn Huy Nam, Đinh Ngọc Anh và nnk (2012), Kết quả áp dụng công

nghệ khoan tháo khí tại công ty THHH MTV than Khe Chàm, Thông tin

Khoa học công nghệ Mỏ - số 10, Hà Nội.

127

8. Ngô Văn Sỹ (2002), Nghiên cứu tổng hợp tính chất cơ lý đá các mỏ than

Việt Nam, Kết quả nghiên cứu triển khai khoa học Công nghệ Mỏ (1972 -

2002) - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ.

9. Nguyễn Xuân Thảo (2003), Một số vấn đề về kỹ thuật và công nghệ khoan

thăm dò trong hầm lò, Thông tin Khoa học công nghệ Mỏ - số 1, Hà Nội.

10. Nguyễn Xuân Thảo và nnk (2004), Nghiên cứu lựa chọn đồng bộ thiết bị

và xây dựng quy trình khoan thăm dò và tháo nước phù hợp trong các mỏ

hầm lò vùng Quảng Ninh, Báo cáo tổng kết đề tài, Viện KHCN Mỏ, Hà

Nội.

11. Nguyễn Xuân Thảo (2004), Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan thăm

dò trong lò ở các mỏ than vùng Quảng Ninh, Hội thảo khoa học kỹ thuật

Mỏ toàn quốc lần thứ XVI , Cửa Lò-Nghệ An.

12. Nguyễn Xuân Thảo (2011), Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tháo khí

và thu hồi khí mêtan trong các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, Tuyển

tập báo cáo Hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ 22 “Khai

thác và sử dụng hợp lý tài nguyên khoáng sản", Nha Trang.

13. Nguyễn Xuân Thảo (2002), Áp dụng công nghệ kỹ thuật khoan mới để

giải quyết những tồn tại trong công tác địa chất phục vụ khai thác than,

Thông tin Khoa học công nghệ Mỏ- Viện khoa học công nghệ Mỏ, Hà

Nội.

14.Nguyễn Xuân Thảo, Trần Đình Kiên, Vũ Văn Đông (2012), Công nghệ

khoan ống mẫu luồn, Nhà XB KHKT.

15. Đỗ Chí Uy, Bạch Hiến Canh (1970), Báo cáo thăm dò tỷ mỉ mỏ than Mạo

Khê. Đông Triều - Quảng Ninh.

128

17. Zbigniew Cybullski (2012), Hiểm hoạ khí Mêtan trong khai thác hầm lò

và các giải pháp phòng chống theo kinh nghiệm của ngành mỏ Ba Lan,

Thông tin Khoa học công nghệ Mỏ - số 11, Hà Nội.

18. Fred N, Kissell Ph.D (2006), Handbook for Mêtan Control in Mining.

19. Fourie G. A (1998), Laboratory for Advanced Engineering University of

Pretoria Project COL 503b, Literature survey on the advance detection

of dykes in underground coal mine workings, Beijing China.

20. Guidebook on Coalbed Mêtan Drainage for Underground Coal Mines,

Beijing China, April 1999.

21. Heinz W. F (2000), Diamond Drilling handbook – SADA.

22.Kai Wang and Sheng Xue (2008), Gas drainage practices and challenge in

coal mines China Coal Operators’ Conference, University of

Wollongong & the Australasian Institute of Mining and

Metallurgy, pp. 178-185.

23. Lui Guangzhi (1992), Diamond Drilling handbook - Beijing china.

24. Wang K, Xue S (2008), Gas Drainage Practices and Challenges in

Coal Mines of China. Coal Operators Coference University of

Wollongong – China.

25. Wang Zhaofeng, (2003), Probe into the problem of Mêtan drainage in

Chinse coal mines and its countermeasures. Journal of Jiaozuo

Institute of technology, 22 (4), pp. 241-246.

26. Башкатов Д.Н (1985), Планирование эксперимента в разведочном

бурении, М. Недра.

27. Иванов К.И., Варич М. С (1984), Дусев В. И, И. Др, Техника

бурения при разработке М. П. И, М. Недра.

129

28. Калинин А. Г (2000), Ошкордин О. В., Питерcкий В.М., Соловьев

Н.В., Разведочное бурение, М. Недра.

29. Кодзаев Ю.В (1978), Бурение разведочных горизонтальных скважин,

М, Недра.

30. Корнилов Н. И, Бухарев Н. Н; Киселев А. Т, и др (1990), Буровой

инструмент для геологоразведочных скважин, М. Недра.

31.Медведев И. Ф (1975), Режим бурения и выбор буровых машин, М.

Недра.

32. Е. А. Козловского, М. Недра. (1984), Справочник инженера по

бурению геологоразведочных скважин, в. 2т. Под общей ред.

33. И. С. Афанасьев, Г. А. Блинов, П. П. Пономарев, и др. Санкт

Петербург (2000), Справочник по бурению геологоразведочных

скважин.

34. Петрова Ю.Э, Суханов А.А (2011), Ресурсы, извлечение и

использование углеводородных газов угленостных отложений в

России и за рубежом, Доклад на Петербургском Международном

энергетическом форуме, Санкт- Петербург, 28-30 сентября.

35. Пучков Л.А, Сластунов С. В, Федунец Б. И (2004), Перспективы

добычи метана в Печорском угольном бассейне, М. Недра.

36. Пучков Л. А, Сластунов С. В, Коликов К.С (2002), Извлечение

метана из угольных пластов, М. Недра.

37. Сулакшин. С. С (1994), Бурение геологоразведочных скважин, М.

Недра.

38. Шамшев. Ф. А, Тараканов. С. Н, Кудряшов. Б, Б. и. Др (1983),

Технология и Техника разведочного бурения, М. Недра.

39. Шкурко. А. К (1982), Бурение скважин забойными ударными

машинами, Л. Недра.

130

40. Чеботков И. П 1969), Подземное бурение скважин на шахтах,

Донецк.

41. Юшков А. С (1982), Бурение скважин в угольных шахтах, М.

Недра.1982.

131

E, kW.h/m n, v/ph t, phút Phụ lục 1. Kết quả thử nghiệm sự phụ thuộc Vm vào tốc độ quay cột cần khoan khi khoan trong đá cấp V-VII, PS = 2000-3000MPa Bảng P.1.1. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa l, cm Vm, m/h N, kW Po, N

80 120 160 200 240 10 10,50 12,2 10 14,2 10 16,8 10 19,2 10 0,63 0,73 0,85 1,01 1,15 0,58 0,88 1,17 1,46 1,75 0,93 1,20 1,37 1,45 1,52 5000 5000 5000 5000 5000

80 120 160 200 240 10 10 10 10 10 11,8 13,4 16,2 19,2 20,3 0,71 0,80 0,97 1,15 1,22 0,82 1,23 1,64 2,04 2,45 1,15 1,53 1,68 1,77 2,01 7000 7000 7000 7000 7000

80 120 160 200 240 12,1 10 10 14,6 10 18,04 21,4 10 25,2 10 0,73 0,88 1,08 1,28 1,51 1,05 1,58 2,10 2,63 3,15 1,45 1,80 1,94 2,05 2,09 9000 9000 9000 9000 9000

80 120 160 200 240 12,9 10 10 16,6 10 20,57 23,6 10 27,3 10 0,77 1,00 1,23 1,42 1,64 1,28 1,93 2,57 3,21 3,85 1,66 1,93 2,08 2,27 2,35

80 120 160 200 240 10 10 10 10 10 13,2 17 20,7 23,5 27,4 0,79 1,02 1,24 1,41 1,64 1,52 2,28 3,04 3,80 4,56 1,92 2,23 2,45 2,69 2,77 11000 11000 11000 11000 11000 13000 13000 13000 13000 13000

132

Hình P.1.1. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khoan khi

khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-3000MPa

133

Hình P.1.2. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần

khoan khi khoan xoay trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, PS = 2000-

3000MPa

134

Bảng P.1.2. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ

quay cột cần khoan khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-

VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 800lần/ph

t, phút Po, N nđ, lần/ph n, v/ph l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

10 11,70 800 80 0,70 0,58 0,83 5000

10 14,2 800 120 0,85 0,88 1,03 5000

10 18,1 800 160 1,09 1,17 1,08 5000

10 23,7 800 200 1,42 1,46 1,03 5000

10 13,5 800 80 0,81 0,82 1,01 7000

10 15,8 800 120 0,95 1,23 1,29 7000

10 21,1 800 160 1,27 1,64 1,29 7000

10 26,5 800 200 1,59 2,04 1,29 7000

10 18,7 800 80 1,12 1,05 0,94 9000

10 21,1 800 120 1,27 1,58 1,25 9000

10 26,7 800 160 1,60 2,10 1,31 9000

10 29,8 800 200 1,79 2,63 1,47 9000

10 19,2 800 80 1,15 1,28 1,12 11000

10 23,7 800 120 1,42 1,93 1,36 11000

10 28,9 800 160 1,73 2,57 1,48 11000

10 32,8 800 200 1,97 3,21 1,63 11000

135

Hình P.1.3. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khi khoan

xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 800lần/ph

Hình P.1.4. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần khi

khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 800lần/ph

136

Bảng P.1.3. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ

quay cột cần khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 1000lần/ph

t, phút Po, N nđ, lần/ph n, v/ph l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

10 12,80 0,77 0,58 1000 80 0,76 5000

10 15,2 1000 120 0,91 0,88 0,96 5000

10 20,1 1000 160 1,21 1,17 0,97 5000

10 24,7 1000 200 1,48 1,46 0,99 5000

10 14,5 1000 80 0,87 0,82 0,94 7000

10 17,9 1000 120 1,07 1,23 1,14 7000

10 22,8 1000 160 1,37 1,64 1,20 7000

10 26,8 1000 200 1,61 2,04 1,27 7000

10 18,7 1000 80 1,12 1,05 0,94 9000

10 22,1 1000 120 1,33 1,58 1,19 9000

10 25,6 1000 160 1,54 2,10 1,37 9000

10 31,2 1000 200 1,87 2,63 1,40 9000

10 21,3 1000 80 1,28 1,28 1,01 11000

10 24,8 1000 120 1,49 1,93 1,30 11000

10 27,3 1000 160 1,64 2,57 1,57 11000

10 33,9 1000 200 2,03 3,21 1,58 11000

137

Hình P.1.5. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khi khoan

xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 1000lần/ph

Hình P.1.6. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần

khoan khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 1000lần/ph

138

Bảng P.1.4. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ

quay cột cần khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 1200lần/ph

t, phút Po, N nđ, lần/ph n, v/ph l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

10 13,50 0,81 0,58 1200 80 0,72 5000

10 18,9 1200 120 1,13 0,88 0,77 5000

10 24,9 1200 160 1,49 1,17 0,78 5000

10 34,9 1200 200 2,09 1,46 0,70 5000

10 15,8 1200 80 0,95 0,82 0,86 7000

10 21,2 1200 120 1,27 1,23 0,96 7000

10 27,7 1200 160 1,66 1,64 0,98 7000

10 35,1 1200 200 2,11 2,04 0,97 7000

10 16,7 1200 80 1,00 1,05 1,05 9000

10 23 1200 120 1,38 1,58 1,14 9000

10 28,3 1200 160 1,70 2,10 1,24 9000

10 38,8 1200 200 2,33 2,63 1,13 9000

10 18,5 1200 80 1,11 1,28 1,16 11000

10 25,1 1200 120 1,51 1,93 1,28 11000

10 29 1200 160 1,74 2,57 1,48 11000

10 39 1200 200 2,34 3,21 1,37 11000

139

Hình P.1.7. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khi khoan

xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 1200lần/ph

Hình P.1.8. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần

khoan khi khoan xoay - đập trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII,

PS = 2000-3000MPa, nđ = 1200lần/ph

140

Phụ lục 2. Kết quả thử nghiệm sự phụ thuộc Vm vào tốc độ quay cột cần khi khoan trong đá cấp V-VII, PS = 5000-7000MPa Bảng P.2.1. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần khoan khi khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000 MPa

t, phút E, kW.h/m Po, N l, cm Vm, m/h N, kW

5000 5000 5000 5000 5000 n, v /ph 80 120 160 200 240 10 10,50 12,2 10 10 13,8 10 15,21 18,4 10 0,63 0,73 0,83 0,91 1,10 0,58 0,88 1,17 1,46 1,75 0,93 1,20 1,41 1,60 1,59

7000 7000 7000 7000 7000 80 120 160 200 240 10 10 10 10 10 11,2 13,8 16,2 18,7 22,7 0,67 0,83 0,97 1,12 1,36 0,82 1,23 1,64 2,04 2,45 1,22 1,48 1,68 1,82 1,80

9000 9000 9000 9000 9000 80 120 160 200 240 11,8 10 10 14,3 10 18,04 20 10 23,5 10 0,71 0,86 1,08 1,20 1,41 1,05 1,58 2,10 2,63 3,15 1,48 1,84 1,94 2,19 2,24

80 120 160 200 240 12,1 10 10 15,3 10 20,57 22,8 10 26,8 10 0,73 0,92 1,23 1,37 1,61 1,28 1,93 2,57 3,21 3,85 1,77 2,10 2,08 2,35 2,40

11000 11000 11000 11000 11000 13000 13000 13000 13000 13000 80 120 160 200 240 12,5 10 16,1 10 10 19,36 22,2 10 25,4 10 0,75 0,97 1,16 1,33 1,52 1,52 2,28 3,04 3,80 4,56 2,02 2,36 2,61 2,85 2,99

141

Hình P.2.1. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khi khoan

xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000 MPa

Hình P.2.2. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần khi

khoan xoay trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000 MPa

142

Bảng P.2.2. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ

quay cột cần khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 800lần/ph

Vm,

t, phút l, cm m/h N, kW E, kW.h/m Po, N nđ, lần/ph n, v/ph

10 10,20 0,61 0,58 0,95 800 80 5000

10 13,6 0,82 0,88 1,07 800 120 5000

10 17,8 1,07 1,17 1,09 800 160 5000

10 22,5 1,35 1,46 1,08 800 200 5000

10 14,7 0,88 0,82 0,93 800 80 7000

10 14,7 0,88 1,23 1,39 800 120 7000

10 19,1 1,15 1,64 1,43 800 160 7000

10 23,8 1,43 2,04 1,43 800 200 7000

10 12,9 0,77 1,05 1,36 800 80 9000

10 17,9 1,07 1,58 1,47 800 120 9000

10 21,9 1,31 2,10 1,60 800 160 9000

10 25,9 1,55 2,63 1,69 800 200 9000

10 15,3 0,92 1,28 1,40 800 80 11000

10 18,9 1,13 1,93 1,70 800 120 11000

10 23,9 1,43 2,57 1,79 800 160 11000

10 27,7 1,66 3,21 1,93 800 200 11000

143

Hình P.2.3. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khi khoan

xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 800lần/ph

Hình P.2.4. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần khi

khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 800lần/ph

144

Bảng P.2.3. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ

quay cột cần khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 1000lần/ph

t, phút Po, N nđ, lần/ph n, v/ph l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

10 11,70 1000 80 0,70 0,58 0,83 5000

10 15,2 1000 120 0,91 0,88 0,96 5000

10 19,8 1000 160 1,19 1,17 0,98 5000

10 24,9 1000 200 1,49 1,46 0,98 5000

10 12,8 1000 80 0,77 0,82 1,06 7000

10 16,8 1000 120 1,01 1,23 1,22 7000

10 21,1 1000 160 1,27 1,64 1,29 7000

10 26,7 1000 200 1,60 2,04 1,28 7000

10 18,9 1000 80 1,13 1,05 0,93 9000

10 18,9 1000 120 1,13 1,58 1,39 9000

10 23,9 1000 160 1,43 2,10 1,47 9000

10 30,6 1000 200 1,84 2,63 1,43 9000

10 16,2 1000 80 0,97 1,28 1,32 11000

10 20,3 1000 120 1,22 1,93 1,58 11000

10 25,8 1000 160 1,55 2,57 1,66 11000

10 33,5 1000 200 2,01 3,21 1,60 11000

145

Hình P.2.5. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khoan

khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, Ps= 5000 -7000

MPa, nđ = 1000lần/ph

Hình P.2.6. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần

khoan khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 1000lần/ph

146

Bảng P.2.4. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ

quay cột cần khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 1200lần/ph

t, phút Po, N nđ, lần/ph n, v/ph l, cm Vm, m/h N, kW E, kW.h/m

10 16,77 1200 80 1,01 0,58 0,58 5000

10 18,2 1200 120 1,09 0,88 0,80 5000

10 24,3 1200 160 1,46 1,17 0,80 5000

10 33,8 1200 200 2,03 1,46 0,72 5000

10 14,2 1200 80 0,85 0,82 0,96 7000

10 20,7 1200 120 1,24 1,23 0,99 7000

10 26,7 1200 160 1,60 1,64 1,02 7000

10 36,3 1200 200 2,18 2,04 0,94 7000

10 15,6 1200 80 0,94 1,05 1,12 9000

10 22,7 1200 120 1,36 1,58 1,16 9000

10 28 1200 160 1,68 2,10 1,25 9000

10 38,5 1200 200 2,31 2,63 1,14 9000

10 17,8 1200 80 1,07 1,28 1,20 11000

10 24,2 1200 120 1,45 1,93 1,33 11000

10 29,1 1200 160 1,75 2,57 1,47 11000

10 39,1 1200 200 2,35 3,21 1,37 11000

147

Hình P.2.7. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học vào tốc độ quay cột cần khi khoan

xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 1200lần/ph

Hình P.2.8. Sự phụ thuộc năng lƣợng phá hủy đá vào tốc độ quay cột cần

khoan khi khoan xoay - đập trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X,

Ps= 5000 -7000 MPa, nđ = 1200lần/ph

148

Khu vực

Phân loại

Tên vỉa than

CD tổng quát của vỉa ( m)

Chiều dày riêng than (m)

TS lớp kẹp (số lớp)

Độ dốc vỉa (độ)

Chiều dày đá kẹp (m)

(1)

(8)

(7)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Phức tạp

24(59)

Cánh Bắc

0.57-3.59 1.94

0-0.7 0.07

0-5 0

32-55 40

0.57-4.29 2(53)

23(58)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

22(57)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

18(53)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

0.23-1.6 1.02 0.28-1.89 1.02 0.57-3.59 1.94

0-0.46 0.1 0-0.46 0.07 0-0.7 0.07

0-4 1 0-4 0 0-5 0

25-55 41 25-55 41 32-55 40

0.23-2 1.1(28) 0.28-1.89 1.09(29) 0.57-4.29 2(53)

Đơn giản

16(51)

Cánh Bắc

12(47)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

11(46)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

0.08-1.69 0.78 0.35-2.9 1.48 0.13-3.55 1.6

0-0.28 0.02 0-1.07 0.23 0-0.85 0.21

0-1 0 0-5 1 0-7 1

25-45 39 10-50 35 20-50 36

0.08-1.97 0.8(14) 0.35-3.28 1.7(60) 0.13-4.3 1.81(31)

Rất phức tạp

10(45)

Cánh Bắc

Rất phức tạp

9BT(44BT)

Cánh Bắc

Phức tạp

9V(44V)

Cánh Bắc

0.28-5.79 2.05 0.45-9.15 2.73 0.33-7.99 2.47

0-2 0.29 0-1.22 0.27 0-2.06 0.24

0-8 1 0-8 2 0-18 1

10-70 36 10-75 39 10-75 36

0.28-6.53 2.34(100) 0.45-9.3 3(93) 0.33-10.05 2.71(95)

Phức tạp

9T(44T)

Cánh Bắc

Phức tạp

8T(43T)

Cánh Bắc

0.56-2.7 1.23 0.32-7.45 2 0.27-7.07

0-0.46 0.08 0-2.12 0.19 0-1.65

0-2 0 0-12 1 0-9

15-65 39 15-78 42 15-75

0.73-3.1 1.31(19) 0.32-9.57 2.18(80) 0.27-7.99

Phức tạp

7V(42V)

Cánh Bắc

Phức tạp

7T(42T)

Cánh Bắc

Phức tạp

7A(42A)

Cánh Bắc

2.85 0.14-5.04 1.74 0.08-1.1 0.71 0.38-6.98

0.41 0-2.54 0.36 0-0.5 0.17 0-3.21

2 0-20 1 0-2 1 0-9

36 15-75 43 30-70 54 18-70

3.32(31) 0.14-7.58 2.09(70) 0.08-1.6 0.88(4) 0.38-9.77

Phức tạp

6V(41V)

Cánh Bắc

Phức tạp

6T(41T)

Cánh Bắc

5V(40V)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

2.78 0.28-8.56 2.73 0.3-3.29 1.43

0.48 0-3.08 0.45 0-1.3 0.34

2 0-6 1 0-8 1

42 18-70 45 45-75 62

3.26(49) 0.33-10.22 3.17(61) 0.3-4.4 1.77(18)

Phụ lục 3. Đặc điểm cơ bản các vỉa than ở mỏ Mạo Khê

5T(40T)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

0.41-5.79 1.82

0-2.45 0.4

0-22 3

20-75 52

0.41-8.43 2.22(41)

Đơn giản

4(39)

Cánh Bắc

(8)

(1)

(2)

Đơn giản

3(38)

Cánh Bắc

0.11-1.85 0.87 (4) 0.25-4.45 1.68

0-0.9 0.07 (5) 0-1.93 0.33

0-2 0 (6) 0-9 1

20-85 50 (7) 30-75 52

0.11-1.85 0.9(23) (3) 0.3-6.38 2.01(38)

Đơn giản

2(37)

Cánh Bắc

Phức tạp

1(36)

Cánh Bắc

1-T(36A)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

0.19-7.97 2.01 0.88-14.5 4.05 0.66-6 2

0-3.81 0.59 0-3.74 0.71 0-1.17 0.16

0-13 2 0-8 2 0-4 1

25-70 42 35-70 53 35-70 52

0.19-11.78 2.6(16) 0.88-18.24 4.86(54) 0.66-6.18 2.16(50)

1A(36B)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

Phức tạp

1B(35)

Cánh Bắc

Đơn giản

1CV(34)

Cánh Bắc

0.62-2.76 1.36 1.13-18.99 4.35 0.49-2.64 1.2

0-0.57 0.05 0-2.02 0.79 0-0 0

0-1 0 0-13 2 0-0 0

45-70 56 40-80 54 40-60 50

0.62-3.15 1.41(18) 1.13-19.9 5.14(44) 0.49-2.64 1.2(7)

1C(33)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

Rất phức tạp

1CT(32)

Cánh Bắc

1D(31)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

0.46-4.76 1.8 0.4-10.5 2.23 0.39-8.36 2.52

0-1.38 0.19 0-1.64 0.24 0-1.13 0.24

0-3 1 0-4 1 0-4 1

40-75 51 40-65 51 40-70 53

0.46-6.14 1.93(20) 0.4-11.04 2.47(22) 0.39-9.39 2.76(28)

Phức tạp

1DT(30)

Cánh Bắc

Phức tạp

1E(29)

Cánh Bắc

0.77-4.05 2.17 0.1-6.05 2.61 0.25-4.8

0-1.05 0.12 0-2.99 0.85 0-0.45

0-5 1 0-2 1 0-1

40-70 55 25-60 44 25-60

0.77-5.1 2.29(13) 0.1-6.11 3.46(8) 0.25-5.25

1F(28)

Cánh Bắc

Tƣơng đối phức tạp

Phức tạp

1G(27)

Cánh Bắc

1H(27A)

Cánh Bắc

Tƣơng đối đơn giản

1.38 1.15-2.38 1.67 0.8-1.84 1.22 1.14-1.29

0.09 0-0.32 0.2 0-0.1 0.03 0-0

0 0-2 1 0-1 0 0-0

51 50-60 53 45-60 52 40-65

1.46(8) 1.15-2.7 1.87(4) 0.9-1.84 1.26(3) 1.14-1.29

Rất phức tạp

1I(26)

Cánh Bắc

Phức tạp

1K(25)

Cánh Bắc

1-19(24)

Cánh Bắc

Tƣơng đối đơn giản

Tƣơng đối

1-20(24A)

Cánh Bắc

1.22 2.25-4.35 3.24 1.63-1.63 1.63 1.06-1.06

0 0.26-0.54 0.44 0-0 0 0-0

0 1-1 1 0-0 0 0-0

52 25-50 35 25-25 25 15-15

1.22(3) 2.51-4.89 3.68(3) 1.63-1.63 1.63(1) 1.06-1.06

149

đơn giản

1.06 1.18-1.18

0 0-0

1.06(1) 1.18-1.18

0 0-0

15 25-25

1-21(24B)

Cánh Bắc

Tƣơng đối đơn giản

12(47)

Cánh Nam

Tƣơng đối phức tạp

(8)

(1)

(2)

1.18 0.46-1.33 0.81 (4) 0.2-3.98

0 0-0.35 0.05 (5) 0-0.9

1.18(1) 0.46-1.33 0.86(9) (3) 0.2-4.41

0 0-2 0 (6) 0-3

25 35-71 56 (7) 20-71

11(46)

Cánh Nam

Tƣơng đối phức tạp

Rất phức tạp

10(45)

Cánh Nam

Rất phức tạp

9BV(44BV)

Cánh Nam

1.54 0.4-19.73 3.65 0.2-8.59 2.4 0.09-14.17

0.21 0-3.93 0.66 0-6.21 0.54 0-3.62

1.75(15) 0.4-22.49 4.3(57) 0.2-14.8 2.85(38) 0.09-16.38

1 0-22 3 0-19 2 0-25

50 20-75 49 20-70 45 20-75

Rất phức tạp

9BT(44BT)

Cánh Nam

Phức tạp

9AV(44AV)

Cánh Nam

Phức tạp

9AT(44AT)

Cánh Nam

3.15 0.59-11.12 4.05 0.16-12.77 3.99 0.41-8.37

0.56 0-1.93 0.91 0-3.05 0.84 0-2.73

3.71(84) 0.64-11.7 4.96(28) 0.16-13.72 4.8(72) 0.41-9.88

3 0-19 4 0-21 3 0-19

51 40-70 55 20-80 50 26-75

Phức tạp

9V(44V)

Cánh Nam

Phức tạp

9T(44T)

Cánh Nam

Phức tạp

8V(43V)

Cánh Nam

3.41 0.64-9.48 3.17 0.41-6.18 1.73 0.27-11.06

0.73 0-2.75 0.46 0-2.28 0.29 0-4.17

4.14(56) 0.64-9.48 3.63(52) 0.41-8.46 2.02(40) 0.27-12.28

3 0-10 2 0-9 2 0-12

53 0-78 54 40-75 58 35-75

Phức tạp

8T(43T)

Cánh Nam

Phức tạp

8A(43A)

Cánh Nam

Phức tạp

7T(42T)

Cánh Nam

4.03 0.64-3.35 1.51 0.35-5.55 2.09 0.27-2.63

0.95 0-0.96 0.11 0-1.77 0.37 0-0.72

4.98(55) 0.64-4.31 1.62(48) 0.35-6.72 2.45(40) 0.27-3.27

3 0-5 1 0-8 1 0-6

55 35-78 58 20-70 52 40-80

Phức tạp

6V(41V)

Cánh Nam

Phức tạp

6T(41T)

Cánh Nam

5T(40T)

Cánh Nam

Tƣơng đối phức tạp

1.26 0.27-3.76 1.27 0.3-2.87 1.02 2.25-4.69

0.19 0-0.99 0.22 0-0.54 0.12 0-0

1.45(22) 0.27-4.06 1.48(23) 0.3-3.41 1.14(7) 2.25-4.69

1 0-2 1 0-2 1 0-0

57 40-80 57 40-70 54 50-65

Đơn giản

4(39)

Cánh Nam

Đơn giản

3(38)

Cánh Nam

Đơn giản

2(37)

Cánh Nam

Phức tạp

1(36)

Cánh Nam

3.47 0.7-2.03 1.26 0.74-1.82 1.36 0.71-10.65

0 0-0.57 0.27 0-0 0 0-2.9

3.47(3) 0.7-2.6 1.54(3) 0.74-1.82 1.36(7) 0.71-12.99

0 0-5 2 0-0 0 0-6

58 60-65 63 30-55 45 30-60

150

2.98 0.5-6.23

3.68(27) 0.5-8.72

0.78 0-2.49

2 0-2

45 30-55

Phức tạp

1-T(36A)

Cánh Nam

Rất phức tạp

1B(35)

Cánh Nam

1C(33)

Cánh Nam

Tƣơng đối phức tạp

(8)

(1)

(2)

2.01 2.65-19.45 6.11 0.43-1.2 0.9 (4)

2.24(23) 3.1-23.59 6.98(26) 0.43-1.38 0.97(11) (3)

0.23 0-4.14 0.88 0-0.46 0.07 (5)

0 0-6 2 0-1 0 (6)

44 25-80 46 25-70 49 (7)

Rất phức tạp

1CT(32)

Cánh Nam

Rất phức tạp

1D(31)

Cánh Nam

Phức tạp

1DT(30)

Cánh Nam

1.23-17.25 6.75 0.49-7.75 2.66 0.57-4.58 2.33

1.23-20.51 7.71(13) 0.49-9.19 2.89(23) 0.57-4.77 2.46(16)

0-3.26 0.96 0-1.69 0.22 0-1.15 0.13

0-11 2 0-2 0 0-2 0

30-48 40 27-70 45 30-60 46

Rất phức tạp

1E(29)

Cánh Nam

1F(28)

Cánh Nam

Tƣơng đối phức tạp

Phức tạp

1G(27)

Cánh Nam

0.85-6.88 2.86 0.82-4.15 2.13 0.38-7.49 2.08

0.85-6.88 3.03(15) 0.82-4.76 2.31(12) 0.38-7.6 2.24(6)

0-0.99 0.17 0-0.81 0.19 0-0.87 0.16

0-3 1 0-2 1 0-2 1

30-60 45 25-65 45 30-65 43

Đơn giản

1H(27A)

Cánh Nam

Đơn giản

1I(26)

Cánh Nam

Phức tạp

1K(25)

Cánh Nam

1.13-1.13 1.13 0.14-25.47 5.06 1.41-7.21 3.82

1.13-1.13 1.13(1) 0.14-31.98 5.9(11) 1.41-8.17 4.22(3)

0-0 0 0-6.51 0.84 0-0.96 0.41

0-0 0 0-8 2 0-3 1

45-45 45 40-75 57 35-50 43

1-19(24)

Cánh Nam

Tƣơng đối đơn giản

1-20(24A)

Cánh Nam

Tƣơng đối đơn giản

2.37-2.87 2.62 0.46-0.46 0.46

2.49-2.87 2.68(2) 0.46-0.46 0.46(1)

0-0.12 0.06 0-0 0

0-3 2 0-0 0

35-65 50 65-65 65

151

152

Phụ lục 4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của trạm tháo khí mêtan trên mặt đất