Nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan (CH4) trong các hầm lò khai thác than ở việt nam

Do đó, an toàn cháy nổ khí mêtan luôn được coi là vấn đề quan trọng trong khai thác than hầm lò, mức độ nguy hiểm về khí mêtan có ảnh hưởng rất lớn đối với công tác khai thác than hầm lò

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐẶNG THỊ BÌNH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT NHIỆT

Hà Nội - Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Gia Mỹ Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong công trình nào

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 MÊTAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NÓ 10

1.1 Sự hình thành mêtan 10

1.2 Tính chất vật lý của mêtan 13

1.3 Tính chất hóa học của mêtan 14

Kết luận chương 1 16

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CHÁY VÀ NỔ CỦA KHÍ MÊTAN 18

2.1 Cháy khí mêtan 18

2.2 Nổ khí mêtan 23

2.3 Áp suất nổ và độ khốc liệt 24

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy nổ khí mêtan 26

2.5 Cháy nổ bụi than 30

2.6 Cháy nổ hỗn hợp mêtan – bụi than 31

Kết luận chương 2 32

CHƯƠNG 3 THỰC TRẠNG VỀ CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN TRONG CÁC HẦM LÒ KHAI THÁC THAN 33

3.1 Tình hình khai thác than trên thế giới và ở Việt Nam 33

3.1.1 Tình hình khai thác than trên thế giới 33

3.1.2 Tình hình khai thác than ở Việt Nam 35

3.2 Thực trạng về cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than 37

3.2.1 Cháy nổ khí mêtan trong quá trình khai thác than trên thế giới 38

3.2.2 Cháy nổ khí mêtan trong quá trình khai thác than ở Việt Nam 39

3.3 Tổng quan tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan 40

3.3.1 Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan trên thế giới 40

3.3.2 Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan ở Việt Nam 44

Kết luận chương 3 49

CHƯƠNG 4 MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÒNG CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN TRONG CÁC HẦM LÒ Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 51

4.1 Đánh giá tiềm năng thoát khí mêtan tại mỏ than Mạo Khê 51

4.1.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ chứa khí và khả năng thoát khí 51

4.1.2 Đánh giá độ chứa khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê 53

4.1.3 Đánh giá độ thoát khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê 56

4.2 Các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan 57

4.2.1 Hệ thống đo cảnh báo nguy hiểm về khí mêtan 57

4.2.2 Các thiết bị phòng cháy nổ khí mêtan sử dụng trong hầm lò 61

4.2.3 Cảnh báo mối nguy hiểm về khí mêtan nhờ giải pháp khoan tiến gương 70

4.3 Một số phương án nâng cấp, hoàn thiện các giải pháp đang áp dụng tại mỏ than Mạo Khê 71

4.3.1 Những tồn tại trong quá trình hoạt động của hệ thống giám sát khí mỏ 71

4.3.2 Một số giải pháp nâng cao hiệu quả hệ thống giám sát khí mỏ 72

4.3.3 Nâng cấp, hoàn thiện giải pháp khoan tiến gương thăm dò và khoan tháo khí mêtan 72

4.3.4 Cải thiện phương pháp đo bằng thiết bị đo khí mêtan cầm tay 76

Kết luận chương 4 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Một số tính chất vật lý của mêtan 13

Bảng 2 Giới hạn cháy nổ phụ thuộc vào nguồn năng lượng kích thích 29

Bảng 3 Nồng độ dễ nổ của bụi than 30

Bảng 4 Kích thước bụi than dễ cháy nổ nhất trong hỗn hợp với không khí 31

Bảng 5 Một số thảm họa cháy nổ khí mêtan đã diễn ra trên thế giới 39

Bảng 6 Các yêu cầu pháp lý trong công tác quản lý an toàn tại các mỏ than của Nhật Bản 42

Bảng 7 Xếp loại mỏ theo độ chứa khí mêtan tự nhiên của vỉa than 53

Bảng 8 Kết quả tổng hợp độ chứa khí cao nhất (ĐCKmax) trong các vỉa thuộc công ty than Mạo Khê năm 2011 54

Bảng 9 Kết quả dự báo ĐCKmax ở mức khai thác sâu của một số vỉa thuộc mỏ than Mạo Khê 55

Bảng 10 Xếp loại mỏ theo độ thoát khí mêtan tương đối trong quá trình khai thác than hầm lò 56

Bảng 11 Các vỉa than có độ thoát khí mêtan tương đối cao nhất ở mỏ than Mạo Khê 57

Bảng 12 Các thông số quan trọng của máy khoan thăm dò ZM15 và máy khoan ZQS-55/5,5S 70

Bảng 13 Số lần đo tại các vị trí và cách tính nồng độ CH4 76

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Các nguồn sinh khí mêtan trên Trái đất 10

Hình 2 Quá trình thoát khí mêtan từ dưới đáy biển lên khí quyển 11

Hình 3 Cấu trúc phân tử mêtan 14

Hình 4 Năng lượng bắt lửa tối thiểu của hỗn hợp mêtan – không khí 20

Hình 5 Vận tốc cháy của hỗn hợp mêtan – không khí 21

Hình 6 Khoảng cách tắt của mêtan 22

Hình 7 Giới hạn cháy nổ của khí mêtan theo nhiệt độ 23

Hình 8 Tác động của nhiệt độ đến giới hạn cháy dưới của mêtan trong không khí tại áp suất khí quyển 24

Hình 9 Áp suất nổ và thời gian tăng áp của khí mêtan theo thời gian 24

Hình 10 Độ khốc liệt của vụ nổ mêtan phụ thuộc vào vị trí châm mồi 25

Hình 11 Độ khốc liệt của mêtan phụ thuộc vào thể tíchtheo định luật khối lập phương 26

Hình 12 Giới hạn bắt lửa của mêtan 27

Hình 13 Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan – không khí ở 260C và áp suất khí quyển 27

Hình 14 Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan - khí trơ - không khí ở 250C và áp suất khí quyển 28

Hình 15 Mười nước khai thác than nhiều nhất thế giới năm 2009 33

Hình 16 Mười nước tiêu thụ than nhiều nhất thế giới năm 2009 34

Hình 17 Cung cầu than trên thế giới phân theo châu lục 35

Hình 18 Sản lượng khai thác than của Việt Nam giai đoạn 1990 - 2008 37

Hình 19 Thay đổi lịch sử trong “các tai nạn nổ khí” tại Nhật Bản 44

Hình 20 Số lượng các mẫu than, khí được phân tích 47

Hình 21 Số lượng các thiết bị được kiểm định giai đoạn 2007- 2012 47

Hình 22 Tương quan giữa số vụ tai nạn, số người chết do cháy nổ khí mêtan với sản lượng khai thác than hầm lò giai đoạn 2000  2012 48

Hình 23 Sơ đồ hệ thống giám sát khí mỏ tập trung của Nhật Bản 59

Hình 24 Trung tâm theo dõi khí mỏ của Công ty Than Mạo Khê 60

Hình 25 Cấu tạo bộ phận quang học 61

Hình 26 Cấu tạo vỏ máy của máy đo khí quang học CJG-10 62

Hình 27 Hình ảnh giao thoa ánh sáng trên bề mặt kính phẳng 63

Hình 28 Mặt trước và mặt sau của thiết bị VIELINA – ĐCT.01 65

Hình 29 Sơ đồ khối mô tả nguyên lý làm việc của thiết bị đo cảnh báo khí mêtan độc lập VIELINA-ĐCT.01 66

Hình 30 Cấu tạo của bình dập lửa bọt khí kiểu O-5 67

Hình 31 Cấu tạo bình dập lửa O-8Y 68

Hình 32 Cấu tạo của bình dập lửa bằng bột kiểu MFZ-4 69

Hình 33 Sơ đồ bố trí lỗ khoan thăm dò trong gương lò chuẩn bị của công ty than Mạo Khê 71

Hình 34 Sơ đồ bố trí lỗ khoan thăm dò trong gương lò chuẩn bị có độ chứa và độ thoát khí mêtan ở mức siêu hạng 74

Hình 35 Sơ đồ bố trí lỗ khoan tháo khí trong gương lò chợ có độ chứa và độ thoát khí mêtan ở mức siêu hạng 75

Hình 36 Vị trí đo khí mêtan trong lò và số lần đo tại các vị trí 77

Hình 37 Các ngăn hóa chất trên máy đo khí quang học CJG-10 82

Hình 38 Thao tác kiểm tra độ thông thoát ống dẫn khí 82

Hình 39 Thao tác kiểm tra và điều chỉnh ống nhòm của máy đo khí quang học CJG-10 83

Hình 40 Vị trí bật/tắt để khởi động máy của thiết bị VIELINA – ĐCT.01 86

Hình 41 Vị trí hiệu chỉnh không (zero), chỉnh span trên thiết bị VIELINA – ĐCT.01 86

MỞ ĐẦU

a Lý do chọn đề tài

Trong ngành than, hoạt động khai thác than luôn tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ mất an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ khí mêtan Hoạt động khai thác than ngày càng xuống sâu, độ chứa khí mêtan lại tăng theo chiều sâu khai thác nên nguy hiểm về nổ khí, bục khí và phụt khí bất ngờ càng gia tăng Lịch sử ngành than Việt Nam và thế giới đã chứng kiến nhiều vụ tai nạn thảm khốc do cháy nổ khí mêtan gây thiệt hại lớn về người

và tài sản Do đó, an toàn cháy nổ khí mêtan luôn được coi là vấn đề quan trọng trong khai thác than hầm lò, mức độ nguy hiểm về khí mêtan có ảnh hưởng rất lớn đối với công tác khai thác than hầm lò và trong nhiều trường hợp còn có ảnh hưởng mang tính quyết định đến việc lựa chọn mô hình khai thác mỏ, mô hình hệ thống thông gió, chọn quạt và phương pháp mở vỉa chuẩn bị

Vì những lý do trên, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu các giải pháp phòng cháy

nổ khí mêtan (CH 4 ) trong các hầm lò khai thác than ở Việt Nam”

b Lịch sử nghiên cứu

Mức độ nguy hiểm về khí mêtan góp phần quyết định phương thức khai thác than, thiết bị khai thác than và sản lượng than khai thác nên vấn đề nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan luôn được ngành than Việt Nam và ngành than thế giới quan tâm, tìm ra những giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn lao động do cháy nổ khí mêtan gây ra Ngành than Việt Nam cũng không ngừng phát triển lĩnh vực nghiên cứu về an toàn trong khai thác than và đưa ra các giải pháp an toàn cho khai thác than hầm lò, điển hình là thông tư số 03/2011/TT-BCT do Bộ Công thương ban hành Quy chuẩn Kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò Đồng thời ngành than Việt Nam còn không ngừng đầu tư trang thiết bị, chuyển giao công nghệ với Ba Lan, Nhật Bản về

hệ thống giám sát khí mỏ, hệ thống trang thiết bị xác định độ chứa khí và độ thoát khí

mêtan để bước đầu phân loại mỏ theo độ nguy hiểm về khí mêtan, cảnh báo khí mêtan

c Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

* Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mêtan

(CH4) trong các hầm lò khai thác than ở Việt Nam đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

* Đối tượng nghiên cứu: Khí mêtan trong các hầm lò than

* Phạm vi nghiên cứu: An toàn cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than

nói chung và thuộc mỏ than Mạo Khê nói riêng

d Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Để đạt được mục đích nghiên cứu, luận văn thực hiện giải quyết các vấn đề dựa trên những luận điểm sau:

+ Tìm hiểu thực trạng về cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than + Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cháy nổ khí mêtan

+ Nghiên cứu giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê

e Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với khảo sát và phân tích hiện trạng thực tế

Luận văn được hoàn thành tại Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Gia Mỹ Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS.TS Trần Gia Mỹ Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của Ban lãnh đạo Viện đào tạo sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh trường Đại học Bách khoa Hà nội, KS Phan Kim Vinh cán bộ phòng Kỹ thuật thông gió, thoát nước thuộc công ty Than Hồng Thái và KS Lê Kim Hùng cán bộ phòng Kỹ thuật thông gió, thoát nước thuộc công ty Than Mạo Khê Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các cơ quan, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Đến nay luận văn đã hoàn thành, song vì thời gian có hạn, nội dung nghiên cứu của đề tài là rất rộng nên việc giải quyết vấn đề còn hạn chế Những tồn tại của luận văn tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện trong quá trình công tác

CHƯƠNG 1 MÊTAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NÓ

1.1 Sự hình thành mêtan

Khí mêtan được sinh ra chủ yếu bởi các nguồn:

- Từ quá trình phân hủy kị khí ở các vùng ngập nước như đầm lầy, ao hồ, trầm tích mêtan dưới đáy biển

- Từ chất thải chăn nuôi, từ dạ dày của các loài động vật nhai lại

- Từ hoạt động khai thác dầu mỏ, khai thác than, đốt nhiên liệu hóa thạch, chưng cất than đá

Theo nghiên cứu của chương trình băng mêtan Quốc gia của phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lượng Mỹ, các nguồn sinh khí mêtan được đánh giá bởi biểu đồ tròn trên hình 1

Hình 1 Các nguồn sinh khí mêtan trên Trái đất [12]

Nguồn sinh khí mêtan từ thiên nhiên do quá trình phân hủy vật chất hữu cơ ở các vùng đất ngập nước, đầm lầy Quá trình canh tác lúa nước cũng là một trong những nguyên nhân gây phát thải khí mêtan Diện tích đất ngập nước ở nhiệt độ nóng ẩm là điều kiện tối ưu cho sự sản sinh khí mêtan thông qua quá trình phân hủy kị khí Cường

độ phát thải khí mêtan cao nhất vào 9 tuần sau khi cấy (thời kỳ đẻ nhánh rộ), tốc độ phát thải giảm dần đến cuối vụ Mùa khô lượng khí mêtan thải ra ít hơn mùa mưa do chế độ nước ít ngập hơn Cường độ phát thải khí mêtan ở các vùng đất là khác nhau,

phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, độ sâu, thời gian canh tác và phụ thuộc vào tính chất của đất (hàm lượng Mn, chất hữu cơ có trong đất và nồng độ pH) [12]

Ngoài ra, một nguồn khí mêtan khổng lồ khác cũng được hình thành từ việc phân hủy vật chất hữu cơ trong trầm tích đại dương, tồn tại dưới dạng methane hydrate (băng mêtan) Methane hydrate là thành phần phổ biến của đại quyển biển nông, và chúng hiện diện cả trong các cấu trúc trầm tích sâu, và lộ ra trên đáy đại dương Methane hydrate được giả thiết là do sự di cư của khí từ dưới sâu đại dương dọc theo các đứt gãy địa chất, tiếp theo là sự kết tủa hay kết tinh khi các dòng khí trồi lên tiếp xúc với nước biển lạnh Methane hydrate cũng có mặt trong lõi băng sâu ở Nam Cực

Ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, mêtan được giữ ổn định dưới đáy đại dương, nơi độ sâu của nước từ 300m đến 500m Tuy nhiên, sự nóng lên toàn cầu bởi hiệu ứng nhà kính tạo nguy cơ tan chảy băng mêtan dưới đáy biển Mặt khác, sự di chuyển của các khối lục địa và quá trình nâng cao thềm kiến tạo sẽ làm giảm áp suất dưới đáy biển và có thể gây ra việc phát thải khí mêtan với quy mô lớn [12] Hình 2 mô tả quá trình di chuyển của khí mêtan đông lạnh tích tụ sát đáy biển đến khí quyển:

Hình 2 Quá trình thoát khí mêtan từ dưới đáy biển lên khí quyển [12] Trong chăn nuôi gia súc, đặc biệt là các loài nhai lại như bò , cừu, ngựa…, khí mêtan được thải ra chủ yếu trong quá trình tiêu hóa của chúng, mêtan được sản xuất trong dạ dày nhờ sự phân hủy yếm khí của hai loại vi khuẩn là methanogenic và

protozoa Quá trình này gọi là quá trình lên men enteric Lượng khí mêtan trung bình của một con cừu thải ra là 30 lít/ngày, của một con bò là 200 lít/ngày

Một lượng rất lớn khí mêtan được hình thành trong lòng đất cùng với sự hình thành của các nhiên liệu hóa thạch Theo thời gian, các trầm tích, bùn, các mảnh vụn đá chồng chất tạo ra một áp suất rất lớn tác dụng lên vật chất hữu cơ (phần còn lại của cây cối hoặc động vật) Áp suất lớn kết hợp với nhiệt độ cao đã phá hủy các cấu trúc cacbon trong vật chất hữu cơ Quá trình này được gọi là quá trình hình thành mêtan do nhiệt Càng xuống sâu dưới lớp vỏ Trái đất thì nhiệt độ càng cao và lượng khí mêtan nguyên chất càng lớn.Trọng lượng riêng của khí mêtan thấp nên khí mêtan có xu hướng thoát lên phía trên bề mặt Trái đất qua các lớp nhiên liệu hóa thạch và các vật chất khác Nhưng khi gặp các cấu tạo địa chất có bẫy khí trong lòng đất thì khí mêtan

bị giữ lại dưới dạng các túi khí, với lượng khí mêtan lớn được gọi là bể chứa Sự hình thành khí mêtan do nhiệt đồng hành với quá trình biến chất của than Vì vậy khí mêtan luôn tồn tại trong các vỉa than Hàm lượng khí mêtan trong các vỉa than tùy thuộc vào chủng loại than và quá trình hình thành than

Trong vỉa than, khí mêtan tồn tại dưới hai dạng:

- Dạng tự do: Khí mêtan tự do nằm ở các lỗ hổng, khe nứt trong than

- Dạng hấp thụ: Khí mêtan được hấp thụ trong than theo kiểu hấp thụ hóa học và hấp thụ vật lý (trên cơ sở lực liên kết phân tử Vander valsa)

Có ba hình thức thoát khí mêtan từ vỉa vào bầu không khí mỏ:

1.2 Tính chất vật lý của mêtan

- Mêtan còn có tên gọi khác là khí đầm lầy hay khí bùn

- Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị

- Mêtan nguyên chất không mùi, nhưng trong công nghiệp, nó thường được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh như etyl mecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ

- Nhiệt cháy của mêtan: Nhiệt cháy là thông số đơn quan trọng quyết định tiềm năng nổ của bất kỳ hóa chất nào và nó chỉ phụ thuộc vào thành phần của chất phản ứng Đây là lượng nhiệt được giải phóng trong quá trình phản ứng hóa học và có vai trò như một nguồn năng lượng để sinh ra công phá hủy của một vụ nổ

Nhiệt cháy của mêtan là 0,8826 MJ/mol = 55,164 MJ/mol (ở điều kiện áp suất là 1at và nhiệt độ là 298K)

Một số tính chất vật lý cơ bản của mêtan được giới thiệu ở bảng 1

(1): NFPA 704 là một tiêu chuẩn được Hiệp hội phòng cháy quốc gia Hoa Kỳ đưa ra NFPA 704

được đánh giá qua "hình thoi cháy", và được các nhân viên của bộ phận tình trạng khẩn cấp Hoa

Kỳ sử dụng để nhanh chóng và dễ dàng xác định các rủi ro gây ra bởi các hóa chất nguy hiểm Tiêu chuẩn này là cần thiết để xác định các phương tiện, thiết bị và thủ tục cần thiết phải thực hiện để giảm thiểu những rủi ro gây ra bởi hóa chất đó Hình thoi được chia thành 4 phần với 4 màu mang ý nghĩa tượng trưng: màu xanh lam dùng để chỉ các nguy hiểm đối với sức khỏe, màu đỏ dùng để chỉ khả năng cháy, màu vàng dùng để chỉ khả năng phản ứng hóa học, và màu trắng chứa các mã đặc biệt cho các nguy hiểm lạ thường Tất cả các khả năng gây nguy hiểm cho sức khỏe, khả năng cháy và phản ứng hóa học được đánh giá theo thang độ từ 0 (không nguy hiểm; chất thông thường) tới 4 (cực kỳ nguy hiểm)

1.3 Tính chất hóa học của mêtan

Mêtan với công thức hóa học là CH 4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng

đẳng ankan Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất, là đại diện đơn giản nhất của nhóm ankan (hydrocacbon bão hòa)

Cấu trúc phân tử khí mêtan thể hiện trên hình 3: nguyên tử cacbon ở vị trí trung tâm, có 4 cặp điện tử C-H đƣợc liên kết cứng (liên kết chặt chẽ với nhau) và giống nhau, với chiều dài liên kết bằng 0,1095nm; góc liên kết H-C-H là 1090

28’

Hình 3 Cấu trúc phân tử mêtan

* Phản ứng cháy

Trong phản ứng cháy của mêtan có một số bước Trước tiên, mêtan tạo ra gốc metyl (CH3), gốc này phản ứng với ôxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc H2CO) cho gốc formyl (HCO) để tạo thành cacbon monoxit Quá trình này được gọi là sự nhiệt phân ôxi hoá:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (điều kiện đủ khí O2) Trong điều kiện thiếu khí O2 thì mêtan cháy theo các phản ứng sau, tùy lượng khí

O2 có trong hỗn hợp khí cháy:

CH4 + O2→ C (rắn) + 2H2O 2CH4 + 3O2→ 2CO + 4H2O Sau đó, hydro bị ôxi hóa tạo ra H2O và giải phóng nhiệt Quá trình này diễn ra rất nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây

H2+ ½ O2→ H2O Cuối cùng, CO bị ôxi hóa tạo thành CO2 và giải phóng thêm nhiệt Quá trình này chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng

C + 2H2 → CH4(phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao và có chất xúc tác thích hợp, khi đó C dạng mịn có thể phản ứng với H2, phương pháp này gọi là phương pháp Bergius – Verfahren)

Từ CO: CO + 3H2 → H2O + CH4↑

Từ đường glucose (C6H12O6): C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4

Phản ứng đồng thể hình thành khí mêtan:

CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O (hơi)

* Quá trình phân huỷ

Cơ chế phá hủy chính của mêtan trong khí quyển là qua tác dụng với gốc hydroxyl (.OH):

CH4 + ·OH → ·CH3 + H2O Phản ứng này diễn ra ở tầng đối lưu làm cho mêtan tồn tại khoảng 9,6 năm [10]

Kết luận chương 1

Mêtan là khí có nguồn gốc hình thành rất phong phú, chủ yếu từ quá trình phân hủy kị khí của các vật chất hữu cơ dưới nhiều hình thức khác nhau Mêtan là khí có ảnh hưởng rất lớn đến hệ sinh thái của trái đất, là một trong những tác nhân gây hiệu ứng

nhà kính Trong hoạt động khai thác than hầm lò, khí mêtan luôn là mối nguy hiểm đe dọa, rình rập đến sự an toàn của người lao động vì khả năng cháy nổ rất cao của nó Những tính chất lý – hóa của khí mêtan cho thấy rằng khí mêtan rất đặc biệt về khả năng tham gia phản ứng, cháy sinh ra nhiệt độ cao và áp suất lớn, đặc biệt trong môi trường khai thác than hầm lò Vì vậy, vấn đề nghiên cứu khả năng cháy và nổ của khí mêtan là cần thiết để nghiên cứu các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan trong các hầm

lò khai thác than

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CHÁY VÀ NỔ CỦA KHÍ MÊTAN

(15) H + O + M OH + M

Kết thúc:

(16) H + OH + M H2O + M

b, Cháy mêtan trong không khí

Thành phần không khí gồm 21% O2 và 79% N2 nên tỉ lệ giữa các khí thành phần trong không khí là:

Do đó, mêtan cháy trong không khí sẽ xảy ra phản ứng hóa học tổng hợp là:

(17) CH4 + 2(O2 + 3,762N2) → CO2+ 2H2O + 2*3,762N2

Phản ứng trên cho thấy cứ 1m3

khí CH4 cháy cần có 2*(1+3,762) ≈ 9,5 m3 không khí (đây là lượng không khí lý thuyết): lo = 9,5 m3

Lượng không khí thực tế (ltt) thường khác so với lượng không khí lý thuyết (ltt> lohoặc llt< lo)

Hệ số tiêu hao không khí: , thông thường n > 1

Thể tích hỗn hợp khí cháy lý thuyết (khi cháy 1m3

khí mêtan) là:

Vhh = 1 + 9,5 = 10,5 m3 Vậy tỉ lệ khí mêtan trong hỗn hợp khí cháy lý thuyết là (với n = 1):

[ ]

c, Nhiệt độ bắt lửa của khí mêtan

Nhiệt độ bắt lửa là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hỗn hợp bắt đầu cháy được

Nhiệt độ bắt lửa của khí mêtan (với n = 1 ở áp suất khí quyển) là 6100

C (giá trị này được xác định bằng thực nghiệm) [3]

Quá trình tự bắt lửa của mêtan phụ thuộc vào:

- Thành phần hỗn hợp;

- Năng lượng của nguồn kích thích;

d, Năng lượng bắt lửa tối thiểu

Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu là nguồn năng lƣợng kích thích thấp nhất mà ở đó xảy ra sự bắt lửa

Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của mêtan đƣợc Lewis và v.Elbe xác định bằng thực nghiệm (kích thích cháy bằng tia lửa điện), thể hiện trên hình 4

Hình 4 Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của hỗn hợp mêtan – không khí [3] Hỗn hợp mêtan – không khí có năng lƣợng bắt lửa tối thiểu nhỏ nhất bằng 2 kJ khi tỉ lệ mêtan trong hỗn hợp bằng 20% và (Chỉ cần nguồn năng lƣợng kích thích 2 kJ thì hỗn hợp gồm 20% mêtan, 80% oxy sẽ bắt lửa)

e, Vận tốc cháy

Vận tốc cháy là vận tốc lan truyền của ngọn lửa trong không gian chứa hỗn hợp khí cháy, ngọn lửa từ nguồn kích thích lan truyền dần ra xung quanh đến hết không gian chứa hỗn hợp khí cháy

Vận tốc cháy trong không gian đạt giá trị lớn tối đa ở một tỉ lệ phần trăm nhất định của chất cháy trong chất oxy hóa Nếu dịch chuyển khỏi tỉ lệ ấy thì vận tốc cháy

sẽ giảm dần.Vận tốc cháy của khí mêtan đạt giá trị lớn nhất khi n = ltt/lo = 1; Nếu ltt> lohay ltt< lo thì đều làm vận tốc cháy giảm, xem hình 5

Hình 5 Vận tốc cháy của hỗn hợp mêtan – không khí [3]

f, Khoảng cách tắt

Khoảng cách tắt của khí cháy là khoảng cách từ bề mặt ngọn lửa đến bề mặt vật rắn mà trong đó không có phản ứng cháy xảy ra (phản ứng cháy không thể thực hiện cạnh bề mặt vật rắn lớn vì nhiệt tỏa ra bị bề mặt vật rắn hấp thụ và dẫn đi làm phản ứng cháy chấm dứt) Bằng thực nghiệm, Lewis và v.Elbe đã xác định khoảng cách tắt của mêtan ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng nhƣ biểu diễn trên hình 6

- Chỉ số Wobbe cao:

√ Trong đó (theo [3] trang 29):

+ Nhiệt trị thấp của CH4 là Hu = 35 880 kJ/m3

+ Nhiệt trị cao của CH4là H0 = 39 815 kJ/m3

+ Khối lượng riêng tương đối của CH4 là

Biết: ρk là khối lượng riêng của khí CH4 ở ĐKTC; ρk = 0,717 kg/m3

ρkk là khối lượng riêng của không khí ở ĐKTC; ρkk = 1,29 kg/m3

Nổ là quá trình cháy kèm theo sự tăng áp suất đột ngột trong không gian kín

Độ lớn của nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến giới hạn cháy nổ của khí mêtan trong không khí, điều này được thể hiện trên hình 7

Hình 7 Giới hạn cháy nổ của khí mêtan theo nhiệt độ [21]

Bằng thực nghiệm, White đã xác định sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến giới hạn cháy dưới của mêtan trong không khí tại áp suất khí quyển, thể hiện trên hình 8

Hình 8 Tác động của nhiệt độ đến giới hạn cháy dưới của mêtan trong không khí

tại áp suất khí quyển

2.3 Áp suất nổ và độ khốc liệt

* Áp suất nổ Pmax là áp suất dư so với áp suất ban đầu tại thời điểm hỗn hợp được châm mồi Khi nổ, áp suất đột ngột tăng (còn khi cháy, áp suất không tăng)

Áp suất nổ Pmax thông thường nằm trong khoảng từ 7 bar đến 8 bar [21]

Khi bắt đầu kích thích thì hỗn hợp khí cháy chưa nổ ngay (vì luôn có độ ì trễ về mặt nhiệt) Nhưng sau khoảng thời gian xấp xỉ vài phần trăm giây thì sự cháy nổ mới diễn ra Khoảng thời gian này được gọi là thời gian tăng áp (xem hình 9)

Hình 9 Áp suất nổ và thời gian tăng áp của khí mêtan theo thời gian [21]

* Độ khốc liệt

Độ khốc liệt chính là độ tăng áp suất tức thời hay còn gọi là vận tốc tăng áp Độ khốc liệt bằng tỉ lệ giữa độ tăng áp suất với thời gian tăng áp (

) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ khốc liệt là vị trí châm mồi, loại khí cháy và thể tích của không gian diễn ra vụ nổ

Dưới đây ta xem xét ảnh hưởng của những yếu tố trên

Độ khốc liệt và áp suất nổ đạt lớn nhất khi châm mồi ở tâm của bình (không gian khí cháy) Ngược lại, khi dịch điểm châm mồi về thành bình thì độ khốc liệt giảm và áp suất nổ cũng giảm Điều này được thể hiện trên hình 10

Hình 10 Độ khốc liệt của vụ nổ mêtan phụ thuộc vào vị trí châm mồi [6]

Độ khốc liệt của các khí khác nhau thì rất khác nhau, ngay cả khi nổ trong cùng một điều kiện về tỉ lệ và nguồn nhiệt

So sánh giữa khí CH4 và khí H2 :

- Áp suất cháy nổ của khí CH4 và khí H2 là xấp xỉ nhau

- Thời gian tăng áp của khí CH4 lớn hơn so với khí H2

- Độ khốc liệt của khí CH4 nhỏ hơn so với khí H2

Độ khốc liệt phụ thuộc vào thể tích Điều này tuân theo định luật khối lập phương, định luật này được biểu diễn như sau:

( ) Trong đó KG là hệ số khí Khí mêtan có KG = 55

Hình 11 thể hiện độ khốc liệt phụ thuộc vào thể tích

Hình 11 Độ khốc liệt của mêtan phụ thuộc vào thể tích

theo định luật khối lập phương [6]

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy nổ khí mêtan

Như vậy, căn cứ vào lý thuyết cháy nổ và giới hạn cháy nổ thì sự cháy nổ khí mêtan chỉ diễn ra khi thỏa mãn tam giác cháy, nghĩa là phải đảm bảo về: Hàm lượng khí mêtan; Hàm lượng khí oxy trong không khí và năng lượng kích thích (mồi) Ba yếu tố này với tỷ lệ thích hợp tạo thành tam giác cháy của khí mêtan sẽ khiến sự cháy khí mêtan diễn ra

* Hàm lượng khí mêtan

- Hỗn hợp mêtan trong không khí có thể bắt lửa khi tỉ lệ phần trăm thể tích mêtan

có trong hỗn hợp với không khí nằm giữa hai giá trị được gọi là giới hạn cháy nổ dưới

Exu và giới hạn cháy nổ trên Exo Giới hạn cháy nổ thông thường được biểu thị bằng phần trăm thể tích chất cháy nổ trong hỗn hợp với không khí

Theo thực nghiệm [3], khí mêtan có khoảng (Exu ; Exo) là (5%; 15%) thể hiện trên hình 12 Trong đó tỷ lệ cháy nổ lý tưởng của khí mêtan trong không khí là 9,5% Nếu tỉ

lệ khí mêtan trong hỗn hợp với không khí nằm ngoài khoảng giới hạn cháy nổ thì sự cháy nổ không diễn ra

Hình 12 Giới hạn bắt lửa của mêtan

- Các yếu tố ảnh hưởng đến Exu và Exo:

+ Exu thường thay đổi trong phạm vi rất hẹp (thay đổi không đáng kể) và không phụ thuộc tỉ lệ ôxy trong thành phần hỗn hợp khí Khi hỗn hợp đã được châm mồi đạt giới hạn dưới có thể thay thế ôxy thừa bằng nitơ thì quá trình cháy vẫn diễn ra tương tự

vì nhiệt dung riêng của ôxy và nitơ bằng nhau và nhiệt tỏa ra khi cháy của ôxy và nitơ cũng bằng nhau

+ Exo phụ thuộc vào ba yếu tố sau:

a, Tỉ lệ ôxy trong chất ôxy hóa theo tỉ lệ thuận (lượng ôxy tăng thì giới hạn cháy

b, Độ lớn của năng lượng E từ nguồn kích thích (còn gọi là năng lượng kích thích E): Nếu E tăng thì Exu giảm (giảm ít) và Exo tăng, nghĩa là vùng cháy nổ (Exu; Exo)

tăng (xem bảng 2 mục năng lượng kích thích)

c, Nhiệt độ: nhiệt độ càng nhỏ thì càng khó cháy và ngược lại nhiệt độ càng tăng thì càng dễ cháy Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến giới hạn cháy nổ của khí mêtan được thể hiện trên hình 7, mục 2.2

Khi thành phần khí trơ trong hỗn hợp thay đổi làm giới hạn cháy nổ của mêtan cũng thay đổi Điều này được thể hiện trên hình 14 trong điều kiện nhiệt độ là 250

C và

áp suất khí quyển

Hình 14 Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan – khí trơ – không khí ở 250C và áp

suất khí quyển

* Hàm lượng oxy trong không khí

Hàm lượng oxy trong bầu không khí mỏ phụ thuộc vào lưu lượng thông gió của

hệ thống quạt thông gió trong mỏ than hầm lò

Oxy cung cấp cho bầu không khí mỏ là từ không khí tự nhiên cấp vào nhờ hệ thống quạt thông gió

Thông thường, môi trường hầm lò là yếm khí nên rất khó khăn và nguy hiểm đối với sự hô hấp của các thợ mỏ trong quá trình làm việc Yếu tố này đòi hỏi phải có hệ thống thông gió để cung cấp oxy cho các thợ mỏ

Việc cung cấp oxy cho mỏ than hầm lò ngoài tác dụng góp phần duy trì sự sống cho người thợ mỏ thì nó còn có một tác dụng vô cùng quan trọng nữa trong công tác an toàn lao động tại mỏ than hầm lò là: góp phần hòa loãng lượng khí mêtan phát sinh trong hầm lò, ngăn chặn hình thành tam giác cháy

và nguồn lửa này dễ dàng gây ra cháy nổ khí mêtan và bụi than)

Nguồn năng lượng kích thích càng nhỏ thì khoảng giới hạn cháy nổ càng thu hẹp, nghĩa là khả năng cháy nổ sẽ giảm Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm hỗn hợp khí mêtan với không khí trong bình 7 lít cho thấy giới hạn cháy nổ phụ thuộc vào nguồn năng lượng kích thích E như trong bảng 2

Bảng 2 Giới hạn cháy nổ phụ thuộc vào nguồn năng lượng kích thích [21]

2.5 Cháy nổ bụi than

Bụi than là những hạt than có kích thước dưới 500µm có thể bay lơ lửng trong không khí trong một khoảng thời gian nhất định [34]

Tương tự như khí cháy, bụi than chỉ cháy nổ được khi có thêm hai yếu tố:

- Chất oxy hóa (không khí);

- Nguồn năng lượng kích thích (mồi lửa)

Khả năng cháy nổ của bụi than phụ thuộc vào:

- Độ xáo trộn của bụi than

- Nồng độ bụi than

- Kích thước các hạt bụi than

Bụi than có khối lượng riêng lớn hơn nhiều so với không khí nên thông thường bụi than thường lắng xuống nhờ lực trọng trường Bụi than chỉ nổ khi tạo được độ xáo trộn nhất định trong không khí để tăng khả năng tiếp xúc với oxy Trong quá trình làm việc, sự di chuyển của người và thiết bị trong hầm lò góp phần xáo trộn bụi than trong không gian mỏ

Các kết quả nghiên cứu cho thấy bụi than nổ khi nồng độ trong hỗn hợp nằm trong giới hạn ghi trong bảng 3 [3] Áp suất lớn nhất của bụi than khi nổ pmax thiết lập

ở một nồng độ trung gian CPmax

Bảng 3 Nồng độ dễ nổ của bụi than

Loại bụi than Cmin, kg/m3 CPmax, kg/m3 Cmax, kg/m3 pmax, MPa

thước không đồng đều Để bụi than có thể nổ được thì các hạt bụi than phải đủ mịn để tăng khả năng tiếp xúc với oxy, nghĩa là kích thước của bụi than nhỏ hơn giá trị giới hạn là 40µm (giá trị giới hạn này được xác định bằng thực nghiệm) [4]

Khi lượng bụi tinh trong hầm lò vượt giới hạn dưới thì khả năng nổ có thể xảy ra (khi đủ các yếu tố cần) và chúng khiến cho những hạt bụi lớn dễ cháy nổ hơn vì năng lượng kích thích do chúng sinh ra tăng lên đạt ngưỡng của những hạt bụi lớn

Sự di chuyển của người và thiết bị trong hầm lò không những xáo trộn bụi than trong không gian mỏ mà còn làm các hạt bụi cọ xát vào nhau và cọ xát với những vật thể di chuyển trong hầm lò Điều này góp phần làm kích thước các hạt bụi giảm dần và khả năng cháy nổ bụi cũng tăng lên

Hạt bụi than dễ cháy nổ nhất là những hạt bụi có kích thước như trong bảng 4 Bảng 4 Kích thước bụi than dễ cháy nổ nhất trong hỗn hợp với không khí [3]

TT Loại bụi than Kích thước, mm

1 Than bùn, than phiến < 0,2

2.6 Cháy nổ hỗn hợp mêtan – bụi than

Các kết quả nghiên cứu và thực tế đã chỉ ra rằng hỗn hợp mêtan – bụi than dễ bắt lửa hơn là từng chất riêng lẻ và các vụ nổ trở lên càng dữ dội

Các vụ cháy nổ hỗn hợp mêtan – bụi than thường được bắt đầu từ việc bắt lửa của mêtan, ngọn lửa này lan truyền và tăng dần độ lớn của năng lượng kích thích đến ngưỡng bắt lửa của bụi than khiến cho vụ cháy nổ trở lên dữ dội hơn Tuy nhiên, nếu

độ lớn của nguồn năng lượng kích thích đủ mạnh thì bụi than vẫn có thể cháy nổ mà không cần sự bắt lửa của mêtan

Độ khốc liệt của vụ nổ hỗn hợp mêtan – bụi than tỉ lệ nghịch với căn bậc ba của thể tích không gian xảy ra vụ nổ theo định luật khối lập phương:

( ) )

Kết luận chương 2

Quá trình cháy và nổ khí mêtan là quá trình hóa – lý phức tạp, trong đó có tỏa nhiệt, phát sáng và tăng áp suất đột ngột (khi nổ) Mêtan cũng giống như những chất cháy khác là khả năng cháy xảy ra khi có đủ các điều kiện hình thành tam giác cháy

Ba yếu tố hình thành tam giác cháy của mêtan có liên hệ mật thiết với nhau, độ lớn của chúng phụ thuộc vào nhau

Mêtan dễ dàng bắt cháy ở nồng độ tương đối thấp trong hỗn hợp với không khí

- Nồng độ tối thiểu của mêtan trong không khí có thể bắt cháy là 5%

- Nhiệt độ cháy lý thuyết của mêtan là 6100C (ở áp suất khí quyển)

- Áp suất nổ của mêtan là 7 bar

- Độ khốc liệt của khí mêtan phụ thuộc vào thể tích của không gian cháy nổ mêtan

và được đặc trưng bởi hệ số khí KG Ở thể tích cháy nổ V = 1 m3 thì mêtan có KG = 55 Ngoài ra, độ khốc liệt của một vụ nổ khí mêtan còn phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ của hỗn hợp mêtan trong không khí;

+ Vị trí xuất hiện nguồn năng lượng kích thích

Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cháy – nổ của mêtan trong môi trường hầm lò khai thác than và các yếu tố quyết định độ khốc liệt của vụ nổ là cơ

sở quan trọng để nghiên cứu và đưa ra các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than

CHƯƠNG 3 THỰC TRẠNG VỀ CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN TRONG CÁC HẦM LÒ KHAI THÁC THAN

3.1 Tình hình khai thác than trên thế giới và ở Việt Nam

3.1.1 Tình hình khai thác than trên thế giới

Hàng năm, trên thế giới có khoảng hơn 4,03 tỉ tấn than được khai thác, con số này đã tăng 38% trong vòng 20 năm qua [9] Sản lượng khai thác tăng nhanh nhất ở châu Á, trong khi đó châu Âu khai thác với tốc độ giảm dần Các nước khai thác nhiều nhất không tập trung trên một châu lục mà nằm rải rác, năm nước khai thác lớn nhất hiện nay là: Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Úc và Nam Phi Hầu hết các nước khai thác than cho nhu cầu tiêu dùng nội địa, chỉ có khoảng 18% than dành cho thị trường xuất khẩu Thống kê các năm cho thấy Trung Quốc luôn dẫn đầu và vượt xa các nước khác Năm 2009, sản lượng khai thác than của Trung Quốc là hơn 1,4 tỉ tấn và chiếm khoảng 46% sản lượng khai thác than toàn thế giới, xem hình 15 Lượng than khai thác trên toàn thế giới được dự báo tới năm 2030 khoảng 7 tỉ tấn Với đà tăng trưởng như hiện nay thì khi đó Trung Quốc sẽ chiếm khoảng hơn một nửa sản lượng toàn thế giới [9]

Hình 15 Mười nước khai thác than nhiều nhất thế giới năm 2009 [9]

Than đóng vai trò sống còn với sản xuất điện và vai trò này sẽ còn được duy trì trong tương lai Khoảng 39% lượng điện sản xuất ra trên toàn thế giới là từ nguồn nhiên liệu này và tỷ lệ này sẽ vẫn được duy trì trong tương lai (dự báo cho đến năm 2030) Lượng tiêu thụ than cũng được dự báo sẽ tăng ở mức từ 0,9% đến 1,5% từ nay cho đến năm 2030 Tiêu thụ than cho nhu cầu trong các lò hơi sẽ tăng khoảng 1,5%/năm trong khi than được sử dụng trong sản xuất điện tăng với mức 1%/ năm Nhu cầu về than cốc, loại than được sử dụng trong công nghiệp thép và kim loại được

dự báo tăng với tốc độ 0,9% Thị trường than lớn nhất là châu Á, trong đó nhu cầu chủ yếu đến từ Trung Quốc Điển hình là năm 2009, Trung Quốc tiêu thụ hơn 1,4 tỉ tấn than, chiếm khoảng 50% tổng lượng tiêu thụ than trên toàn thế giới và vượt xa các nước khác, xem hình 16 Một số nước khác không có nguồn nhiên liệu tự nhiên phải nhập khẩu than cho các nhu cầu về năng lượng và công nghiệp như Nhật Bản, Đài Loan và Hàn Quốc Không chỉ những nước không thể khai thác than mới phải nhập khẩu mà ngay cả các quốc gia khai thác lớn nhất thế giới cũng nhập than Nhu cầu nhập khẩu than còn để phục vụ cho dự trữ những nguồn than có chất lượng Than sẽ vẫn đóng vai trò quan trọng, đặc biệt tại các khu vực có tốc độ tăng trưởng cao Tăng trưởng của thị trường than dành cho đốt lò hơi và than cốc sẽ mạnh nhất tại châu Á, nơi

mà nhu cầu về điện, sản xuất thép, sản xuất xe hơi và nhu cầu dân sinh tăng cao theo mức sống ngày càng được cải thiện

Hình 16 Mười nước tiêu thụ than nhiều nhất thế giới năm 2009 [9]

Hình 17 Cung cầu than trên thế giới phân theo châu lục [9]

Ngành than là một trong những ngành ít chịu ảnh hưởng của suy thoái kinh tế toàn cầu hiện nay Theo thống kê từ năm 2003 đến hết năm 2007, sản lượng khai thác than bình quân trên thế giới tăng khoảng 3,33%/năm, nhưng nhu cầu sử dụng than tăng khoảng 4,46%/năm, đặc biệt khu vực châu Á và Australia có tốc độ tăng nhu cầu sử dụng than tới 7,03%/năm Điều này chứng tỏ, nhu cầu sử dụng than ngày càng tăng lên, trong khi trữ lượng than đang giảm dần (bình quân 6,77%/năm trong giai đoạn

2003 - 2007) [9]

3.1.2 Tình hình khai thác than ở Việt Nam

Theo thống kê, giai đoạn 2003 - 2007, sản lượng tiêu thụ than của Việt Nam tăng 19,89% Đặc biệt, nhu cầu tiêu thụ than của Việt Nam được dự đoán tăng trong những năm tiếp theo do trong thời gian vừa qua, Chính phủ đã phê duyệt quy hoạch xây dựng nhiều nhà máy nhiệt điện tại các địa phương Hiện tại than Việt Nam phục vụ cho các

hộ sản xuất chính là điện, xi măng, giấy, phân bón và phục vụ xuất khẩu Ngành sản xuất điện tiêu thụ tới 32% sản lượng than – tính đến hết 7 tháng đầu năm 2009 [9] Bên cạnh những yếu tố thuận lợi, ngành than Việt Nam cũng gặp một số khó khăn nhất định như: Công nghệ khai thác, rủi ro về mặt chính sách và môi trường… Nguồn than khai thác chuyển dần từ khai thác mỏ lộ thiên sang khai thác mỏ than hầm lò Dự kiến năm 2014, Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam (TKV) sẽ đóng cửa hoàn toàn các

mỏ than lộ thiên nên đòi hỏi doanh nghiệp phải đầu tư công nghệ và tập trung khai thác than ở các mỏ than hầm, lò

Theo TKV, Việt Nam có trữ lượng than lớn, trong đó tỉnh Quảng Ninh khoảng 10,5 tỉ tấn, đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn (chiếm khoảng 67% trữ lượng than đang khai thác trên cả nước hiện nay), chủ yếu là than antraxit Khu vực đồng bằng sông Hồng được dự báo có khoảng 210 tỉ tấn, chủ yếu là than Asbitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 0,4 tỉ tấn Riêng than bùn là khoảng 7 tỉ m3

phân bố ở cả 3 miền [9] Hiện nay, TKV có khoảng 30 mỏ và các điểm khai thác lộ thiên, trong đó 5 mỏ có công suất từ 1 triệu tấn đến trên 3 triệu tấn/năm Có khoảng 20 mỏ khai thác hầm lò trong đó 7 mỏ có công suất từ 1 triệu tấn trở lên là: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu,

Hà Lầm, Mông Dương, Khe Chàm, Dương Huy Tại Quảng Ninh tập trung khoảng 67% trữ lượng than toàn quốc, chủ yếu là antraxít, sản lượng than mỡ rất thấp (khoảng

200 ngàn tấn/năm) Quảng Ninh có 7 mỏ than hầm lò sản xuất với công suất trên dưới

2 triệu tấn than nguyên khai/năm; chiếm hơn 45% tổng sản lượng khai thác than của TKV Quảng Ninh có 5 mỏ lộ thiên lớn sản xuất với công suất trên 2 triệu tấn than nguyên khai/năm là: Cọc Sáu, Cao Sơn, Hà Tu, Đèo Nai, Núi Béo, cung cấp đến 40% sản lượng cho TKV [9]

Hình 18 cho thấy sản lượng khai thác than từ năm 1990 đến 2008 tăng lên đáng

kể và dự kiến sẽ còn tiếp tục tăng hơn nữa [5]

Hình 18 Sản lượng khai thác than của Việt Nam giai đoạn 1990 - 2008

3.2 Thực trạng về cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than

Trong các hầm lò khai thác than, khí mêtan là thành phần chủ yếu của các hỗn hợp khí thiên nhiên được hình thành trong quá trình kiến tạo các vỉa than, tồn tại ở các dạng tự do chứa trong các khe nứt lỗ rỗng hoặc được hấp thụ trong than và khối đá bao quanh các vỉa than Khí mêtan có khả năng cháy nổ nếu hàm lượng mêtan trong không khí đạt 5 - 15% và bị kích hoạt bởi một nguồn nhiệt đủ lớn nào đó

Khí mêtan nổ tạo ra nhiệt độ rất cao gây cháy bỏng thân thể người làm việc và tạo

ra áp suất lớn gây va đập cơ học, phá huỷ các thiết bị

Đồng thời, sản phẩm của phản ứng cháy nổ khí mêtan là khí độc CO: Khi phản ứng cháy nổ xảy ra trong điều kiện thiếu ôxy sẽ tạo ra khí CO, đây là loại khí rất độc Với nồng độ 0,08% con người sẽ tử vong sau 45 phút; nồng độ 1,28% sẽ tử vong sau 1-3 phút Ngoài ra CO còn là khí cháy nổ: Ở nồng độ 12,5% ÷ 74% trong hỗn hợp không khí nó có khả năng phát nổ ở nguồn nhiệt 605o

- Sau vụ nổ khí mêtan gây ra áp suất và nhiệt độ rất cao nên thường dẫn đến một

vụ nổ bụi than kèm theo một khi bụi than trong đường lò đạt tiêu chuẩn nổ

Hiện nay, hoạt động khai thác than ngày càng xuống sâu Trong khi đó, độ chứa khí mêtan trong các hầm lò lại tăng theo chiều sâu khai thác Càng xuống sâu áp suất không khí trong mỏ lớn nên áp suất khí mêtan trong vỉa cũng tăng, khối lượng khí hấp thụ trong vỉa than cũng ngày càng lớn theo chiều sâu Mặt khác độ thẩm thấu khí của than ngày càng giảm, khi áp suất không khí trong mỏ tăng, mức độ nguy hiểm về nổ khí, bục khí và phụt khí bất ngờ càng gia tăng

Từ khi bắt đầu khai thác than, con người đã phải đối mặt với hàng loạt hiểm họa, rủi ro có thể xảy ra Mặc dù khoa học và công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưng những hiểm họa này vẫn chưa được loại bỏ hoàn toàn, bằng chứng là tai nạn vẫn tiếp tục xảy ra tại các mỏ Những rủi ro mang tính kỹ thuật có liên quan chặt chẽ đến việc sử dụng các máy móc, thiết bị dùng trong khai thác mỏ, đặc biệt là trong các điều kiện mỏ - địa chất phức tạp

Nổ khí mêtan và tiếp theo nữa là nổ bụi than là một trong những mối hiểm họa nguy hiểm nhất trong ngành công nghiệp khai thác mỏ Khí mêtan là nguyên nhân của các tai nạn hầm mỏ lớn

3.2.1 Cháy nổ khí mêtan trong quá trình khai thác than trên thế giới

Khí mêtan đặc biệt nguy hiểm khi tiến hành khai thác than hầm lò nếu không tuân thủ quy trình kỹ thuật và quy phạm an toàn

Tổng kết trong hơn một thế kỷ qua (từ năm 1900 đến năm 2014), trên thế giới có hàng trăm vụ nổ khí mỏ than làm chết hơn 30000 người (xem bảng 5) Theo thống kê,

số vụ tai nạn do cháy nổ khí mêtan gây ra ở Trung Quốc chiếm gần 76% tổng số các vụ tai nạn xảy ra trên thế giới (tổng hợp từ nhiều nguồn)

Bảng 5 Một số thảm họa cháy nổ khí mêtan đã diễn ra trên thế giới

3.2.2 Cháy nổ khí mêtan trong quá trình khai thác than ở Việt Nam

Ở Việt Nam, tính từ năm 1990 đến năm 2014 đã xảy ra 26 vụ cháy nổ khí mêtan làm 66 người thiệt mạng và hàng chục người bị thương, đồng thời gây tổn thất nặng nề

Ngày 2/7/2012 tại Công ty TNHH MTV 86 - Tổng Công ty Đông Bắc đã xảy ra

vụ cháy nổ khí mêtan làm 04 người thiệt mạng

Ngày 29/10/2013 tại Công ty Khai thác Khoáng sản Kim Bôi – Hòa Bình đã xảy

ra cháy nổ khí mêtan làm 02 người thiệt mạng

Ngày 15/01/2014 tại mỏ than Đồng Vông đã xảy ra vụ cháy nổ khí mêtan làm 06 người thiệt mạng

Theo thống kê cho thấy số vụ nổ khí mêtan ở Việt Nam mặc dù chỉ chiếm 5% trong tổng số các vụ tai nạn nhưng số người thiệt mạng trong các vụ tai nạn này lại rất lớn, chiếm đến 20%

3.3 Tổng quan tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan

3.3.1 Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan trên thế giới

Phòng chống những hiểm họa cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than không thể thành công nếu chỉ sử dụng một yếu tố, một biện pháp duy nhất Điều cần thiết để phòng chống thành công là áp dụng hệ thống các giải pháp kết hợp với nhau có thể mang lại kết quả khả quan

Sau đây chúng ta tìm hiểu tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan ở hai quốc gia điển hình là Ba Lan và Nhật Bản, là những nước đã và đang hỗ trợ Việt Nam trong công tác an toàn khai thác than

- Thành lập một đơn vị giám sát việc tuân thủ theo quy phạm tại các mỏ

- Đào tạo cán bộ và giám sát viên