Nghiên cứu công nghệ khoan tháo khí áp dụng tại mỏ than khe chàm công ty than khe chàm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐINH NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ ÁP DỤNG TẠI MỎ THAN KHE CHÀM – CÔNG TY THAN KHE CHÀM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐINH NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ ÁP DỤNG TẠI MỎ THAN KHE CHÀM – CÔNG TY THAN KHE CHÀM Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 8520603 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS - ĐẶNG VŨ CHÍ HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi dƣới hƣớng dẫn PGS.TS - ĐẶNG VŨ CHÍ Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2018 Tác giả luận văn Đinh Ngọc Anh ii LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu nhà trƣờng, ban Chủ nhiệm Khoa Mỏ Bộ môn Khai thác hầm lò, phòng Đào tạo Sau đại học; Quý thầy cô giáo thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi tốt để em thực hoàn thành nội dung luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến doanh nghiệp vùng than Cẩm Phả - Quảng Ninh mà tác giả có điều kiện gặp gỡ, khảo sát, học hỏi cán kỹ thuật mỏ, chuyên gia đầu ngành mỏ lĩnh vực có liên quan trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp thông tin, kinh nghiệm vô quý báu ý kiến, nhận xét xác đáng để tác giả hồn thành luận văn tốt nghiệp Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận văn Đinh Ngọc Anh iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cơ sở tài liệu cấu trúc luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG ĐẶC ĐIỂM CHUNG MỎ THAN KHE CHÀM 1.1 Đặc điểm địa chất cơng trình 1.2 Đặc điểm khí mỏ 1.2.1 Đặc điểm nguồn gốc thành tạo khí 1.2.2 Đặc điểm khí mỏ than Khe Chàm 1.2.3 Đặc điểm khí mêtan khu vực lị chợ 13-1-1 13 1.3 Nhận xét 13 CHƢƠNG YÊU CẦU VỀ THÁO KHÍ CHO CÁC VỈA THAN MỎ KHE CHÀM 14 2.1 Nguy cháy nổ khí mê tan 14 iv 2.1.1 Phịng chống cháy, nổ khí dƣới lị 14 2.1.2 Phòng chống cháy, nổ trạm thu khí 15 2.2 Đánh giá mức độ chứa khí mê tan vỉa than mỏ Khe Chàm 16 2.3 Nhận xét 30 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU, ĐỂ XUẤT PHƢƠNG PHÁP THÁO KHÍ MÊTAN HỢP LÝ TRONG ĐIỂU KIỆN VỈA 13.1 CÔNG TY THAN KHE CHÀM 31 3.1 Tổng quan phƣơng pháp tháo khí giới 31 3.1.1 Phƣơng pháp tháo khí trƣớc khai thác 31 3.1.2 Phƣơng phấp tháo khí khai thác 36 3.1.3 Phƣơng pháp tháo khí sau khai thác 43 3.2 Nghiên cứu phƣơng pháp tháo khí cho vỉa than 13.1 44 3.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến việc lựa chọn phƣơng pháp tháo khí 44 3.2.2 Nghiên cứu để xuất phƣơng pháp tháo khí áp dụng 47 3.2.3 Lựa chọn sơ đồ hệ thống tháo khí hợp lý 51 3.3 Xây dựng hệ thống tháo khí 53 3.3.1 Cơng nghệ khoan tháo khí mêtan 53 3.3.2 Trạm thu khí mặt đất 61 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ÁP DỤNG, HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ 81 4.1 Đánh giá kết áp dụng 81 4.1.1 Đánh giá cơng tác khoan cấc lỗ khoan tháo khí 81 4.1.2 Đánh giá công tác khai thác lỗ khoan tháo khí 82 4.1.3 Đánh giá hiệu suất tháo khí mêtan 82 4.2 Nghiên cứu, hoàn thiện cơng nghệ khoan tháo khí mêtan 83 v 4.2.1 Nghiên cứu, xác định vùng khí vách trụ vỉa 83 4.2.2 Nghiên cứu hồn thiện số lỗ khoan tháo khí 89 4.2.3 Nghiên cứu, hoàn thiện việc kiểm sốt khí mỏ khám khoan 90 4.2.4 Nghiên cứu, hoàn thiện phƣơng pháp lấy mau tụi cúc lỗ khoan 91 4.3 Nhận xét 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 vi CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Số TT Ký hiệu (Chữ viết tắt) Ý nghĩa (chữ viết đầy đủ) KHCN TKV DAĐT Dự án đầu tƣ KT-KT Kinh tế - kỹ thuật XDCB Xây dựng TKKT-TDT QĐ HĐTLQG HTKT Hệ thống khai thác 10 CGH Cơ giới hóa 11 PGS.TS Phó giáo sƣ, tiến sỹ 12 TDTM Thăm dò tỷ mỷ 13 ĐCTV Địa chất thủy văn 14 ĐCCT Địa chất cơng trình 15 TCBV Tính chất bền vững 16 TCSĐ Tính chất sập đổ Khoa học cơng nghệ Tập đồn Cơng nghiệp than - Khoáng sản Việt Nam Thiết kế kỹ thuật - Tổng dự toán Quyết đinh Hội đồng trữ lƣợng Quốc gia vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tiêu lý đất đá địa tầng Bảng 1.2 Bảng kết phân tích tính tốn mẫu khí Bảng 1.3 Thành phần chất khí trầm tích chứa than (%) 10 Bảng 1.4 Bảng tổng hợp độ chứa khí Mêtan vỉa than theo mức khai thác (m3/Tkc) 11 Bảng 2.1 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 1/2011 17 Bảng 2.2 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 2/2011 19 Bảng 2.3 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 3/2011 20 Bảng 2.4 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 4/2011 21 Bảng 2.5 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 5/2011 22 Bảng 2.6 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 6/2011 23 Bảng 2.7 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 7/2011 24 Bảng 2.8 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 8/2011 25 Bảng 2.9 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung tháng 9/2011 26 Bảng 2.10 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung -tháng 10/2011 27 viii Bảng 2.11 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung -tháng 11/2011 28 Bảng 2.12 Thống kê số liệu kết nồng độ khí trạm quan trắc tập trung -tháng 12/2011 29 Bảng 3.1 Bảng tính tốn u cầu lực thơng gió q trình đào lị chuẩn bị cho trƣờng hợp điển hình phức tạp 49 Bảng 3.2 Các tiêu công nghệ hệ thống khoan tháo khí mê tan 53 Bảng 3.3 Các thơng số khoan trạm khoan 56 Bảng 3.4 Bảng đặc tính kỹ thuật máy khoan tháo khí WDP-1C 57 Bảng 3.5 Đặc tính kỹ thuật máy bơm rửa loại WT-30-2PB 58 Bảng 3.6 Đặc tính kỹ thuật quạt gió KFPa-50 62 Bảng 3.7 Đặc tính kỹ thuật đầu dị mêtan mã hiệu CWx-2A 64 Bảng 3.8 Đặc tính kỹ thuật đầu đo áp suất PC-28 67 Bảng 3.9 Dải đo đầu đo hạ áp APR-2000 69 Bảng 3.10 Đặc tính kỹ thuật đầu đo hạ áp APR-2000 69 Bảng 3.11 Dải đo đầu đo hạ áp suất APC-2000 70 Bảng 3.12 Đặc tính kỹ thuật đầu đo áp suất APC-2000 71 Bảng 3.13 Đặc tính kỹ thuật đầu đo nhiệt độ mã hiệu CT GN1 74 Bảng 3.14 Đặc tính kỹ thuật đầu đo nhiệt độ mã hiệu CT ( CT- 11; CT9; CT- 8): 75 Bảng 3.15 Bảng tổng hợp khối lƣợng thiết bị phục vụ công tác khoan 78 Bảng 3.16 Bảng tổng hợp khối lƣợng thiết bị cho trạm khí mặt đất 79 Bảng 4.1 Các thơng sơ lỗ khoan tháo khí 81 Bảng 4.2 Kết tính tốn góc vùng khí chiều cao tối đa vùng86 Bảng 4.3 Bảng tra hệ số Gg Gd dựa vào góc dốc vỉa 88 81 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ÁP DỤNG, HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ 4.1 Đánh giá kết áp dụng 4.1.1 Đánh giá công tác khoan cấc lỗ khoan tháo khí Sau lắp đặt xong thiết bị khám khoan, tiến hành khoan 06 lỗ khoan lên vách 02 lỗ khoan xuống trụ vỉa Các thông số lỗ khoan nhƣ thiết kế lập (xem bảng 4.1) Sau khoan xong, đặt ống chống thép dài 6m đoạn đầu lỗ khoan, đƣờng kính 80mm, bơm xi măng lỏng (hịa với nƣớc theo tỷ lệ 1:1) xung quanh đoạn ống chống thành lò Sau 24 giờ, sử dụng máy rửa phoi bơm nƣớc với áp suất 0,2 MPa vào ống chống khoảng lgiờ để kiểm tra độ kín ống chống Nếu không xuất nƣớc từ lỗ khoan đƣờng lị lỗ khoan đảm bảo độ kín Sau kiểm tra lỗ khoan đạt độ kín, tiến hành kết nối với gom khí Nhƣ vậy, việc sử dụng xi măng lỏng thay bọt chèn để làm kín lỗ khoan dã đạt yêu cầu Bảng 4.1 Các thông sô lỗ khoan tháo khí TT Tên lỗ khoan Góc nghiêng Góc lệch với Đƣờng so vứi mặt trục đƣờng lị kính lỗ phảng nằm đặt trạm khoan, D ngang, α (độ) khoan,β (độ) (mm) Chiều sâu lỗ khoan, L(m) Các lỗ khoan LK số 20 48 LK số 18 53 LK số 24 50 80 LK số 22 55 80 LK số 35 50 80 LK số 33 55 80 80 ɸ65 80 Các lỗ khoan LK số -30 90 LK số -32 100 ɸ65 80 80 82 4.1.2 Đánh giá cơng tác khai thác lỗ khoan tháo khí Khi gƣơng lò chợ chƣa tới gần, khu vực đáy lỗ khoan chƣa bị nứt nẻ ảnh hƣởng đá vách bị sập đổ, phá hỏa phía dƣới, lỗ khoan có khí mêtan tạo áp suất dƣơng Tại thời điểm đó, hàm lƣợng khí mêtan lỗ khoan đo đƣợc cao, tới 70 -:- 90% Sau khí tiến hành mở van, khí mêtan lỗ khoan theo hệ thống đƣờng ống hút lên trạm tháo khí xả trực tiếp vào mơi trƣờng, khơng qua máy hút buồng trộn Hàm lƣợng khí mêtan lỗ khoan không nhiều giảm nhanh sau đƣợc xả vào khơng khí Khi lị chợ tiến gần phía trạm khoan, đáy lỗ khoan nằm vùng nứt nẻ, phía vùng sập đổ đá vách Khí mêtan từ gƣơng lò chợ, gƣơng lò chuẩn bị, từ than khai thác ra, phần di chuyển lên lị thơng gió, phần di chuyển lên vùng nứt nẻ, phía lị chợ, tạo thành vùng tích tụ khí Khi đó, hệ thống tháo khí bắt đầu làm việc Thời điểm hàm lƣợng khí mêtan hút đƣợc cao, đạt tới 60 -:- 70%, sau giảm dần lị chợ tiến gần tới khám khoan, độ cao đáy lỗ khoan hạ dần khơng cịn nằm vùng tích tụ khí lớn Khi gƣơng lị chợ cách khám khoan khoảng 20 -:25 m, hàm lƣợng khí mêtan ln dƣới 30%, hệ thống máy hút dừng hoạt động, khí mêtan trực tiếp mơi trƣờng 4.1.3 Đánh giá hiệu suất tháo khí mêtan Hiệu suất tháo khí mêtan (ƞ) tỷ lệ phần trăm lƣu lƣợng khí mêtan hút qua hệ thống tháo khí tổng lƣu lƣợng khí mêtan qua hệ thống thơng gió hệ thống tháo khí Trên sở kết tổng hợp lƣu lƣợng gió, hàm lƣợng khí mêtan đo đạc đƣợc lị dọc vỉa thơng gió, luận văn xác định đƣợc lƣu lƣợng khí mêtan qua hệ thống thơng gió Lƣu lƣợng khí mêtan qua hệ thống tháo khí đƣợc cập nhật, lƣu giữ máy tính Từ sở liệu trên, luận văn tính tốn, đánh giá phân tích hiệu suất tháo khí mêtan theo dạng biểu đồ (xem hình 4.1) 83 Hình 4.1 Hiệu suất tháo khí mêtan Từ biểu đồ thấy, hiệu suất tháo khí mêtan có xu hƣớng giảm dần theo khoảng cách từ lƣợng lò chợ đến trạm khoan Hiệu suất tháo khí đạt cao nhất, khoảng từ 30% -:- 40% vào giai đoạn đầu tiến hành tháo khí gƣơng lị chợ cách khám khoan khoảng 45 -:- 55m Khi gƣơng lò chợ cách khám khoan khoảng 20 -:- 30m, hiệu suất tháo khí đạt khoảng từ 25% -:30% Có thể xem hiệu suất tháo khí trung bình giai đoạn tháo khí thử nghiệm vừa qua Giai đoạn cuối, trƣớc kết thúc q trình tháo khí thử nghiệm hiệu suất đạt dƣới 20% 4.2 Nghiên cứu, hồn thiện cơng nghệ khoan tháo khí mêtan 4.2.1 Nghiên cứu, xác định vùng khí vách trụ vỉa Theo kết nghiên cứu tháo khí mêtan, sau phá hỏa đá vách, phía lị chợ hình thành khu vực (xem hình 4.2) nhƣ sau: Khu vực I: Chiều cao khu vực khoảng 10 x g tính từ lị chợ (g - chiều dày vỉa than khai thác) Trong khu vực này, đá vách sập đổ hoàn toàn Khu vực II: Chiều cao khu vực khoảng x g tính từ giới hạn khu vực I (15 X g tính từ lò chợ) Đây khu vực nứt nẻ, dịch động, có thẩm thấu khí đất đá 84 Khu vực III: Nằm phía khu vực II, chiều cao khu vực khoảng 15xg tính từ khu vực II 30 x g tính từ lò chợ Đây khu vực tách lớp, dịch động, có thẩm thấu khí Khí mêtan nhẹ, từ khu vực phá hỏa lò chợ di chuyển lên tới vùng đƣợc tích tụ lớp đá vách phía khơng bị nứt nẻ, tách lớp, dịch động, bị uốn Do vậy, vùng tháo khí hiệu Khi có hoạt động khai thác lị chợ, phía trụ vỉa tạo vùng ảnh hƣởng áp lực tựa, tích tụ khí, nhiên, chiều sâu vùng ảnh hƣởng phía trụ nhỏ nhiều so với vách Chiều cao vùng thu hồi khí tối đa vách trụ vỉa đƣợc xác định theo cơng thức nhƣ sau [6]: Trong đó: Ls - chiều dài lị chợ, m ß - góc giới hạn vùng nhả khí vách phía chân lị chợ so với mặt phẳng vỉa, độ; ɛ - góc giới hạn vùng nhả khí vách phía đầu lị chợ so với mặt phẳng vỉa, độ; 85 Hình 4.2 Vùng khí mêtan vách trụ vỉa ƞ - góc giới hạn vùng nhả khí dƣới đá trụ phía đẩu lị chợ so với mặt phẳng vỉa, độ; 86 τ - góc giới hạn vùng nhả khí dƣới đá trụ phía chân lị chợ so với mặt phẳng vỉa, độ; φ1 - góc giới hạn vùng nhả khí vách phía chân lị chợ so với mặt phăng ngang, tra bảng φ1 = 63,9°; φ2 - góc giới hạn vùng nhả khí vách phía chân lị chợ so với mặt phảng ngang, tra bảng φ2 = 56,1°; α - góc dốc lị chợ, độ Áp dụng công thức nêu cho điều kiện địa chất kỹ thuật lò chợ 13.1-1 Công ty than Khe Chàm, ta xác định đƣợc thơng số nhƣ: giới hạn vùng nhả khí, chiều cao vùng tháo khí vách chiều sâu vùng tháo khí dƣới trụ (xem bảng 4.2) Bảng 4.2 Kết tính tốn góc vùng khí chiều cao tối đa vùng khí vách trụ vỉa cho điều kiện lị chợ 13.1-1 TT Các thơng sơ Ký hiệu Đơn vị tính Giá trị Chiều dày vỉa g m 2,2 Chiều dài lò chợ Ls m 130 Góc dốc lị chợ a độ 14