Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê

1. 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Nguyễn Trần Tuân NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG MẠO KHÊ Ngành: Kỹ thuật dầu khí Mã số: 62.52.06.04 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014
2. 2 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Bộ môn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Trần Đình Kiên 2. TS Nguyễn Xuân Thảo Phản biện 1: PGS. TS Trƣơng Biên Phản biện 2: TS Khƣớu Hữu Bộ Phản biện 3: TS Nguyễn Xuân Hòa Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án cấp Trƣờng, họp tại trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Từ Liêm, Hà Nội Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện: Thƣ viện Quốc gia Hà Nội hoặc Thƣ viện Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất
3. 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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. 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
4. 4 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. 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
5. 5 - 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
6. 6 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 138 trang trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14,
7. 7 font chữ Time New Roman, Unicode, trong đó có 58 hình vẽ, 27 bảng biểu và phần phụ lục. 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. 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 và phƣơng pháp thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò. 1.3. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở Việt Nam 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
8. 8 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 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VÀ TIỀM TÀNG 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 phân chia thành hai khối Nam Bắc rõ rệt bởi đứt gẫy FA [15]. 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. 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. 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
9. 9 đối rắn chắc, độ cứng của than theo cấp độ khoan từ III-V; độ cứng theo cấp độ f thƣờng lớn hơn 2; khối lƣợng riêng 1,55 – 1,70 g/cm3. Khoáng vật thƣờng gặp trong mẫu than là sét arghilit, oxit silic. 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 HiÖn nay, má than M¹o Khª ®ang tiÕn hµnh khai th¸c ë c¸nh B¾c gåm c¸c vØa 9b T©y, møc -80/-25; V8 T©y, møc -80/+30; V8 § møc -150/-80, V7 §.TR, møc -80/-25; V7 T møc -80/-25; V6 T møc -80/-25; V6 §.V møc -80/-25; V6 §.TR møc -80/-25; V6 §.MR møc -80/-25. ë c¸nh Nam gåm vØa 8 CN– §N II, møc – 80/ LV; V.8 CN- §N I, møc – 80/+25. 2.3.2. Đặc điểm về khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 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. - 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 - Khí tồn tại lẫn trong nƣớc ở các vỉa than trong các tầng đá ngậm nƣớc, chứa nƣớc. 2.3.3. C¸c gi¶i ph¸p an toµn phßng ngõa khÝ mªtan xuÊt hiÖn trong lß
10. 10 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. CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang 3.1.1. Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá o Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang Tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan xác định theo công thức sau: Pk P 0 Pc Pt (3.4) trong đó: Pk - tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan, N; P0 - tải trọng tối đa cho phép của đầu máy khoan và phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của máy khoan, N; Pc - trọng lƣợng cần khoan, N; 3.1.2. Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang Hình 3.4. Hiện tƣợng cong lỗ khoan Hình 3.5. Hƣớng cong lỗ khoan ngang ngang do lệch tâm bộ dụng cụ khoan
11. 11 Hình 3.6. Khả năng lỗ khoan bị lệch Hình 3.7. Lệch hƣớng lỗ khoan khi hƣớng khi gặp đá có độ cứng khác nhau khoan trong vỉa than 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. Hình 3.8. Hình dạng thành trên của Hình 3.9. Trạng thái khối đá bao lỗ khoan ngang trong tầng đá nứt nẻ quay thành trên lỗ khoan ngang Ở trạng thái tĩnh, phần trên của thành lỗ khoan ngang ở chiều sâu Z , cách tâm lỗ khoan một khoảng cách r (hình 3.9) và chịu các lực tác dụng:  Z  0 Z (3.10) 3 trong đó:  0 - trọng lƣợng riêng của đá, N/m ; z - khoảng cách lỗ khoan so với mặt đất,m. Ứng suất ngang  r ở hông thành lỗ khoan xác định theo công thức: r =  z  0 Z (3.11)  trong đó:  - hệ số lực đẩy hông;  - hệ số Poisson. 1 
12. 12 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. Sơ đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan mô tả ở hình 3.10. 1 a 2 Hình 3.10. Sơ đồ tạo rãnh phụ trong Hình 3.11. Sơ đồ tác dụng cần khoan lỗ khoan ngang với thành dƣới của lỗ khoan ngang trong quá trình 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 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
13. 13 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 Số lƣợng lỗ khoan n tại khu vực khai thác xác định theo công thức: Q n (3.19) QMT Q - Trữ lƣợng khí trong khu vực khai thác lò chợ; QMT - khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác, m3/tháng
14. 14 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 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, 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. 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 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. 3.2.3.2. Lựa chọn chế độ công nghệ khoan
15. 15 Tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan trong khoan ngang xoay – đập đƣợc xác định theo công thức [31, 33, 39] : Po k. .St .Ps (3.30) trong đó: k - hệ số ma sát của mũi khoan với đá. Hệ số k 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 k 0,5 0,3 ; khi rửa bằng nƣớc lã k 0,35 0,2 ; 0,17 0,23 ; hệ số đặc trƣng cho sự thay đổi diện tích tiếp xúc của các hạt cắt trong mũi khoan với đá; St - diện 2 tích của các hạt cắt trong mũi khoan, cm ; 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: 1,91(3,64 0,0038.P ) n s (3.31) D trong đó: n - tốc độ quay cột cần khoan, v/ph; D - đƣờng kính lƣỡi khoan, mm. Mối liên hệ giữa tốc độ quay cột cần khoan và tần số đập xác định theo công thức [27, 31]: n yδ n (3.33) πDtb 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 là nƣớc lã; lƣu lƣợng nƣớc rửa đƣợc lựa chọn khi khoan ống mẫu luồn: 40-60 l/ph.
16. 16 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 P0 , N n, v/ph Q, l/ph nđ, lần/ph Bột kết hạt nhỏ mịn, cấp 3000- 200- 40-50 800- VI-VII theo độ khoan, 5000 250 900 Bột kết, cát kết hạt nhỏ 7000- 200- 40-50 1000- mịn,ít mài mòn, cấp VIII- 9000 300 1200 IX theo độ khoan, Bột kết, cát kết, sạn kết, 7000- 200- 40-50 1000 - mài mòn, nứt nẻ, cấp IX- 13000 300 1600 XI theo độ khoan 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 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. Dụng cụ khoan gồm bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS-89: cần khoan, bộ ống mẫu, mũi khoan.
17. 17 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 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. 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 hình 4.3. % % 40 45 40 34 35 32 40 Ảnh hưởng của tải tr ọng chi ều tr ục 35 30 Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay 24 30 Ảnh hưởng của l ưu l ượng nước r ửa 25 25 20 20 20 15 13 15 10 10 5 5 0 0 a) b) 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 a) Đá bột kết màu xám đen; Ps= 2000 – 3000 MPa b) Đá cát kết hạt nhỏ mịn đến trung bình, 4.3. Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý
18. 19 2,50 2,50 2,50 2,50 1. 2,00 2,00 1. 2,00 2,00 2. 2. 1,50 1,50 3. 1,50 1,50 3. 4. 4. 1,00 1,00 1,00 1,00 5. 5. Tốc độ học, cơ m/h Tốc độ học, cơ m/h 6. 0,50 0,50 6. 0,50 0,50 Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m 0,00 0,00 0,00 0,00 80 120 160 200 80 120 160 200 Tốc độ vòng quay, v/ph Tốc độ vòng quay, v/ph Hình 4.20. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan Hình 4.21. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N 1. Vm khi khoan xoay thuần túy; 2. E khi khoan xoay thuần túy; 3. Vm khi nđ=1000lần/ph; 4. E khi nđ=1000lần/ph; 5. Vm khi nđ=1200lần/ph; 6. E khi nđ=1200lần/ph.
19. 21 2,50 2,50 2,50 2,50 1. 2,00 2,00 2,00 2,00 1. 2. 2. 1,50 1,50 3. 1,50 1,50 3. 4. 4. 1,00 1,00 1,00 1,00 5. 5. Tốc độ cơ học, m/h. học, Tốccơ độ Tốc độ cơ học, m/h. học, Tốccơ độ 0,50 0,50 6. 6. Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m đá, hủy phá Năng lượng 0,50 0,50 kW.h/m đá, hủy phá Năng lượng 0,00 0,00 0,00 0,00 80 120 160 200 80 120 160 200 Tốc độ vòng quay, v/ph Tốc độ vòng quay, v/ph Hình 4.22. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan Hình 4.23. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa khi tải trọng chiều trục Po = 9000N khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N 1. Vm khi khoan xoay thuần túy; 2. E khi khoan xoay thuần túy; 3. Vm khi nđ=1000lần/ph; 4. E khi nđ=1000lần/ph; 5. Vm khi nđ=1200lần/ph; 6. E khi nđ=1200lần/ph.
20. 22 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 Lƣu Tải trọng Tốc độ quay Tần số lƣợng Đất đá chiều cột cần đập, nƣớc trục, kN khoan,v/ph lần /ph rửa, l/ph Bột kết cấp VII- 900- VIII, Ps= 2000 - 7-9 160-180 50-60 1100 3000 MPa Đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, 1000- 9-11 160-200 50-60 Ps= 5000 -7000 1200 MPa 4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức -80 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. 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 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
21. 23 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]. KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ KẾT LUẬN Tõ c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu t¸c gi¶ cã mét sè kÕt luËn 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
22. 24 khí bằng thiết bÞ khoan xoay - ®Ëp 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 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
23. 25 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. 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
24. 26 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. 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.
25. 27 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 Methane 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.