Đặc điểm và tính chất của than tại mỏ Khe Chàm III đã được xác định trong các báo cáo của của các giai đoạn thăm dị, kết quả như sau:
2.1.1. Đặc điểm thạch học của than
Khi quan sát bằng mắt thường than Khe Chàm cĩ màu đen, vết vạch đen, độ ánh cĩ: ánh kim, bán kim; vết vỡ dạng mắt, vỏ trai và dạng bậc sắc cạnh. Than cĩ cấu tạo đồng nhất, xen kẽ cấu tạo phân dải. Than Khe Chàm thuộc loại nhiều cục, cứng, dịn và nhẹ. Than ánh mờ, độ cứng thường giảm hơn. Than cám nguyên khai thường gặp ở phần vỉa bị nén ép, cĩ các mặt láng bĩng hoặc các phiến mỏng. Dưới kính hiển vi, than Khe Chàm cĩ 03 kiểu chính: Claren, Clarenduren, Duren, trong đĩ, than Claren phổ biến trong các vỉa than. Các thể tạo hình trong than cĩ dạng dải, thấu kính riêng biệt hoặc khảm trên nền đồng nhất.
Các khống vật trong than là sét, thạch anh, carbơnat, kết hạch siđêrit, chiếm tỉ lệ khoảng 15%. Sét lẫn trong than chủ yếu dạng dải, lấp đầy trong các khe nứt hoặc các bao thể riêng biệt. Tại LK2528, chiều sâu 70,70 m gặp kết hạch siđêrit dạng trịn, bầu dục hoặc lục giác, nhân kết hạch thường là các hạt thạch anh, canxit.
Thành phần vật chất trong than thể hiện mơi trường thành tạo than là các đầm lầy đủ nước, khơng cĩ dịng chảy hoặc dịng chảy yếu, vi sinh vật kị khí phát triển.
2.1.2. Các tính chất cơ bản của than
Các đặc tính kỹ thuật đơn giản của than được xác định theo kết quả phân tích mẫu than ở cơng trình thăm dị. Qua các kết quả phân tích thạch học và các chỉ tiêu về kỹ thuật cơng nghệ của than khu Khe Chàm gần tương tự với
than của các khu mỏ lân cận. Than Khe Chàm thuộc nhãn antraxit đến bán an- traxit, chi tiết các chỉ tiêu chất lượng như sau:
- Độ ẩm phân tích (Wpt): Trị số độ ẩm các vỉa thay đổi từ 0,30% ÷ 4,19%, trung bình 2,13%.
- Độ tro khơ (Ak): Độ tro phân tích của các vỉa thay đổi từ 3,53% ÷ 39,92%, trung bình 18,96%. Các vỉa V14-5ª, 15B,16 thuộc nhĩm vỉa cĩ độ tro rất cao, các vỉa cịn lại trung bình thuộc nhĩm vỉa cĩ độ tro cao.
- Chất bốc khối cháy (Vch): Than Khe Chàm cĩ trị số Vch thay đổi từ 2,20% 11,97% , trung bình 7.81%. Điều đĩ thể hiện các vỉa than Khe Chàm cĩ cùng một mức độ biến chất và thuộc loại than biến chất cao. Đối chiếu riêng chỉ số này cĩ thể xếp tồn bộ các vỉa than Khe Chàm thuộc nhãn hiệu than bán antraxit.
- Nhiệt lượng (Qch): Thuộc loại than cĩ nhiệt lượng cao. Kết quả phân tích cho trị số Qch thay đổi từ 5532 Kcl/kg ÷ 9673 Kcl/kg, trung bình 8216 Kcl/kg. Nhiệt lượng của các vỉa tập trung nhiều trong khoảng từ 8000 ÷ 8500 Kcl/kg.
- Hàm lượng lưu huỳnh chung (Sch): Hàm lượng lưu huỳnh ở các vỉa thay đổi từ 0,09% ÷ 1,80% (V.16), trung bình 0,61%. Hầu hết các vỉa than ở Khe Chàm đều thuộc nhĩm vỉa ít lưu huỳnh, hàm lượng trung bình lưu huỳnh Sch đều nhỏ dưới 1%.
- Hàm lượng phốt pho (P): Kết quả phân tích cho thấy lượng phốt pho trong than là khơng đáng kể, giá trị phốt pho ở các vỉa thay đổi từ 0,000% ÷ 0,56%, trung bình 0,016%, đa phần các vỉa đều cĩ trị số trung bình nhỏ dưới 0,15%.
- Thành phần các nguyên tố của than:
Cacbon: Thay đổi từ 86,95% ÷ 97,42%, tập trung nhiều trong khoảng 90% ÷ 93%.
Hyđrơ: Thay đổi từ 2,48% ÷ 3,69%. Nitiơ thay đổi từ 0,84% ÷ 1,73%. Oxy thay đổi từ 0,28 ÷ 8,87%.
- Tỉ trọng của than (d): Trị số trung bình tỷ trọng các vỉa than Khe Chàm đều lớn hơn 1,45g/cm3
. Tỷ trọng biến đổi từ 1,27 g/cm3 ÷ 1,99 g/cm3, trung bình 1,58 g/cm3.
- Thể trọng (D): Thể trọng nhỏ Dn của than được xác định theo kết quả phân tích trong phịng thí nghiệm các mẫu thể trọng nhỏ (Dn), thể trọng lớn DL được xác định trực tiếp từ các mẫu thể trọng lớn ngồi thực địa (DL). So sánh kết quả thể trọng lớn và thể trọng nhỏ thấy sự chênh lệch khơng đáng kể). Do đĩ, báo cáo đã sử dụng các kết quả xác định thể trọng lớn, kết quả thể trọng lớn trung bình ở các vỉa như sau:
V.14-5 = 1,42 T/m3 ; V.14-4 = 1,40 T/m3 ; V.14-2 = 1,38 T/m3 ; V.13-2 = 1,40 T/m3 ; V.13-1 = 1,38 T/m3 ; V.12 = 1,38 T/m3
Thể trọng trung bình cho các vỉa than tồn khu Khe Chàm là 1,39 T/m3. Như vậy việc nghiên cứu đặc điểm và tính chất của than khu Khe Chàm trước đây chỉ xác định một số tính chất để phục vụ cho cơng tác khai thác và chế biến than. Để nghiên cứu các giải pháp bơm ép nước vào vỉa than để tăng độ liên kết cần phải nghiên cứu xác định thêm một số tính chất của than.
2.2. Thí nghiệm xác định một số tính chất cơ lý của than tại vỉa 14-5 mỏ than Khe Chàm III để phục vụ cơng tác bơm ép nƣớc.
Từ kinh nghiệm áp dụng giải pháp bơm ép nước để tăng độ liên kết của than tại các mỏ hầm lị của Trung Quốc cho thấy, khi bơm ép vào vỉa với một lượng nước hợp lý tính dính kết của than sẽ tăng, độ dịn giảm, độ ổn định của gương than được nâng cao. Các tính chất của than ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả bơm ép nước gồm: đặc điểm khe nứt, lỗ rỗng, tính thẩm thấu, độ ẩm , v.v. Do vậy trước khi bơm ép nước cần xác định các tính chất trên của than.
Dựa trên cơ sở khoa học của việc bơm ép nước tăng độ liên kết khối than, để xây dựng thiết kế giải pháp bơm ép nước cho các gương đào lị, khai thác tại Khe Chàm III, báo cáo sẽ tiến hành các thí nghiệm xác định một số tính chất của than ảnh hưởng đến hiệu quả bơm ép nước gồm: độ ẩm tự nhiên
của than, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, khả năng thẩm thấu, cường độ kháng cắt với các miền độ ẩm khác nhau của than, cường độ kháng cắt và thời gian, sau đĩ sẽ xây dựng mối tương quan giữa độ ẩm của than với cường độ kháng cắt, lực dính kết, gĩc nội ma sát. Trên cơ sở đĩ sẽ lựa chọn lượng nước bơm ép bổ sung để gia tăng sự liên kết của than trong điều kiện vỉa 14-5. Các thí nghiệm để xác định các tính chất trên của than được thực hiện tại phịng thí nghiệm Địa cơ mỏ - Viện KHCN Mỏ.
2.2.1. Lựa chọn vị trí lấy mẫu than
Theo kế hoạch khai thác các vỉa than tại mỏ Khe Chàm III, vỉa 14-5 là một trong các vỉa than cĩ điều kiện địa chất khơng ổn định, than mềm yếu bở rời. Do vậy báo cáo lựa chọn vị trí lấy mẫu than tại lị chợ 14-5-1D. Tại lị chợ này, Cơng ty đang tiến hành khai thác bằng cơng nghệ khoan nổ mìn, chống giữ bằng giá thủy lực dạng xích. Cơng tác lấy mẫu được tiến hành như sau:
- Lấy mẫu than ở gương lị chợ: Trong tuyến gương lị chợ lấy mẫu than ở 03 vị trí (1) từ giá 10 đến giá 20, (2) đoạn lị chợ từ giá 40 đến giá 50 và (3) đoạn từ giá 65 đến giá 75. Tại mỗi vị trí lấy 08 mẫu tại các phần nĩc, giữa và nền gương lị chợ.
- Lấy mẫu than ở lị dọc vỉa vận tải và thơng giĩ của lị chợ (để xác định độ ẩm tự nhiên, khối lượng riêng và khối lượng thể tích), vị trí lấy mẫu ở thành lị, mỗi vị trí lấy 03 mẫu than, các mẫu này đều đảm bảo trạng thái kết cấu nguyên thủy.
Bảng 2.1 - Các vị trí lấy mẫu than tại lị chợ 14-5-1D vỉa 14-5
TT Vị trí lấy mẫu Số lƣợng (mẫu) Ghi chú
1 Gương lị chợ 14-5-1D 24
Giá 10 ÷ 20 08
Giá 40 ÷ 50 08
Giá 65 ÷ 75 08
2 Lị dọc vỉa thơng giĩ LC14-5-1D 03 Mẫu than được bảo quản trong túi và thùng kín để tránh bay hơi 3 Lị dọc vỉa vận tải LC14-5-1D 03
1. Mẫu than lấy tại lị chuẩn bị 2. Mẫu than lấy tại gương lị chợ
Hình 2.1 - Các mẫu than lấy từ khu vực lị chợ 14-5-1D vỉa 14-5
2.2.2. Các phƣơng pháp thí nghiệm xác định tính chất cơ lý của than vỉa 14-5
1. Phương pháp thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên của than
Độ ẩm tự nhiên của mẫu than được xác định theo TCVN 4196-1995. Mẫu than để xác định độ ẩm ở trạng thái cấu trúc nguyên trạng được đặt trong các túi và hộp kín để tránh bay hơi. Các thiết bị, dụng cụ phục vụ cơng tác thí nghiệm gồm tủ sấy, cân kỹ thuật, cốc thủy tinh hoặc hộp nhơm cĩ lắp được đánh số.
Các bước tiến hành để xác định độ ẩm tự nhiên của than: lấy mẫu than thí nghiệm cho vào cốc bằng thuỷ tinh hoặc hộp nhơm cĩ nắp đã được đánh số. Sau đĩ nhanh chĩng đậy nắp và đem cân trên cân kĩ thuật để xác định khối lượng của cốc thuỷ tinh hoặc hộp nhơm với mẫu than (m1). Mở nắp cốc hoặc
hộp ra và đem làm khơ trong tủ sấy ở nhiệt độ 105 20C cho đến khi khối lượng khơng đổi. Mẫu than được sấy ít nhất hai lần trong đĩ lần đầu là 3 tiếng và lần thứ 2 là 5 tiếng. Sau khi đã sấy đủ thời gian cho mỗi lần như đã nêu ở trên, lấy cốc (hoặc hộp) ra khỏi tủ sấy, đậy ngay nắp lại và đặt vào bình hút ẩm từ 45 phút đến 1 giờ để làm nguội mẫu, rồi đem cân cốc (hoặc hộp) cĩ đựng mẫu đã nguội trên cân kĩ thuật để xác định khối lượng của than đã được sấy khơ đến khơng đổi và cốc thuỷ tinh hoặc hộp nhơm (mo). Lấy khối lượng nhỏ nhất của cốc (hoặc hộp) cĩ đựng mẫu trong các lần cân của quá trình sấy khơ đến khối lượng khơng đổi làm kết quả cân.
1. Tủ sấy mẫu 2. Cân kỹ thuật
Hình 2.2 - Một số thiết bị thí nghiệm độ ẩm tự nhiên của than
Độ ẩm của tự nhiên của mẫu than (W) được tính bằng % theo cơng thức sau: 1 100 m m m m W o o , (%). Trong đĩ:
m - khối lượng của cốc thuỷ tinh hoặc hộp nhơm, (g);
mo - khối lượng của than đã được sấy khơ đến khơng đổi và cốc thuỷ tinh hoặc hộp nhơm, (g);
m1 - khối lượng của than ở trạng thái tự nhiên và cốc thuỷ tinh hoặc hộp nhơm, (g);
2. Phương pháp xác định khối lượng thể tích của than
Khối lượng thể tích của than được xác định theo phương pháp bọc sáp quy định tại TCVN 4202:2012. Mẫu than thí nghiệm cĩ cấu trúc nguyên trạng và độ ẩm tự nhiên, dạng hình bầu dục và thể tích khơng nhỏ hơn 30 cm³. Các thiết bị dụng cụ được sử dụng trong cơng tác thí nghiệm gồm cân kỹ thuật, cốc thủy tinh đựng nước dung tích 500 ml, chỉ, sáp, bếp cát, v.v
1. Mẫu than trước khi bọc sáp 2. Mẫu than sau khi bọc sáp
Hình 2.3 - Mẫu than thí nghiệm xác định khối lƣợng thể tích
Các bước tiến hành để xác định khối lượng thể tích của mẫu than theo phương pháp bọc sáp: đầu tiên lấy mẫu than đem cân để xác định khối lượng của mẫu trong khơng khí, sau đĩ bọc một lớp sáp lên mẫu than với độ dày khoảng từ 0,5 ÷ 1,0 mm (phải dùng sáp trắng nguyên chất và đã kiểm tra để biết trước khối lượng thể tích của sáp). Tiếp đĩ cân mẫu than đã được bọc sáp trên cân kĩ thuật trong khơng khí và trong nước để xác định khối lượng của mẫu trong khơng khí và trong nước.
Khối lượng thể tích của mẫu than được tính theo cơng thức: ) ( ) ( . . 1 2 1 m m m m m n p p n , (g/cm3). Trong đĩ:
m - là khối lượng mẫu than trước khi bọc sáp, (g);
m1 - là khối lượng mẫu than đã bọc sáp cân trong khơng khí, (g); m2 - là khối lượng mẫu than bọc sáp cân trong nước, (g);
n - là khối lượng riêng của nước, (n = 1 g/cm³); p - là khối lượng riêng của sáp, (p = 0,93 g/cm³).
3. Phương pháp xác định khối lượng riêng của than
Khối lượng riêng của than được xác định theo TCVN 4195:12. Mẫu than để thí nghiệm được sàng qua rây N°2 và sấy khơ đến khối lượng khơng đổi. Các thiết bị dụng cụ để thí nghiệm gồm bình tỉ trọng, cân kỹ thuật, bếp cát, nước cất, v.v.
Hình 2.4 - Mẫu than thí nghiệm xác định khối lƣợng riêng
Các bước tiến hành để xác định khối lượng riêng của mẫu than: lấy khoảng 15 g mẫu cho vào bình tỉ trọng rồi đem cân để xác định khối lượng của bình tỷ trọng và đựng than, đem trừ đi khối lượng của bình, được khối lượng của than ở trạng thái khơ tuyệt đối (m0). Để khơng khí thốt ra khỏi than, đổ nước cất vào khoảng một nửa thể tích bình tỷ trọng lắc đều rồi đặt
bình trên bếp cát đun sơi trong khoảng thời gian từ 30 phút đến một tiếng, khi đun sơi xong tiếp tục cho nước cất vào bình tỷ trọng đến vạch và làm nguội bình theo nhiệt độ phịng, xác định nhiệt độ của huyền phù trong bình. Dùng khăn hoặc giấy thấm lau khơ mặt ngồi của bình rồi cân để xác định khối lượng của bình chứa đầy than (m2). Đổ than ra và rửa sạch bình, sau đĩ cho nước cất đã đun sơi vào bình đến vạch và làm nguội đến cùng nhiệt độ của huyền phù rồi cân để xác định khối lượng của bình chứa đầy nước (m3).
Khối lượng riêng của than được xác định theo cơng thức sau:
n m m m m D . ) ( 0 3 2 0 , (g/cm3 ). Trong đĩ:
m0 - Khối lượng của than khơ tuyệt đối trong bình, (g); m2 - Khối lượng bình tỷ trọng chứa đầy nước và than, (g); m3 - Khối lượng bình tỷ trọng chứa đầy nước, (g);
n - khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tiến hành thí nghiệm, (g/cm³).
4. Phương pháp xác định hệ số thẩm thấu của than
Hệ số thấm của than được xác định theo phương pháp cột nước khơng đổi trong TCVN 8723:2012. Phương pháp này xác định hệ số thấm của than bằng cách đo lượng nước thấm qua tiết diện thấm của mẫu than theo chiều từ trên xuống, trong một thời gian nhất định, dưới tác dụng của cột nước cĩ chiều cao khơng đổi; áp dụng định luật chảy tầng của Darcy để tính hệ số thấm của than. Các thiết bị dụng cụ thí nghiệm gồm thiết bị thấm đầu nước khơng đổi kiểu ống mẫu thấm, thùng cấp nước, đầm gỗ, nhiệt kế cĩ độ chính xác 0,50C, đồng hồ bấm giây, v.v.
Chú dẫn:
1. Thùng kim loại trịn kín đáy 2. Bản kim loại đục lỗ 3. Lỗ đo áp 4. Các ống đo áp 5. Lỗ tràn nước 6. Lỗ thốt nước thấm ra 7. Ống điều tiết
8. Giá đỡ thanh trượt 9. Bình cấp nước 10. Ống cấp nước 11. Van đĩng nước 12. Thùng đo 500ml 13. Nhiệt độ kế 14. Mẫu thí nghiệm 15. Tầng cát sỏi
Hình 2.5 - Dụng cụ đo hệ số thẩm thấu của than
Các bước tiến hành thí nghiệm xác định hệ số thẩm thấu của than gồm: chuẩn bị mẫu thí nghiệm, lắp ráp thiết bị ống mẫu thấm, cho mẫu vào ống thấm rồi tiến hành thí nghiệm. Hệ số thấm của than, Kth ứng với chiều cao cột nước ở các ống đo áp sử dụng và nhiệt độ nước T°C khi thí nghiệm được tính tốn theo cơng thức: t H F L Q Kth . . . , (cm/s). Trong đĩ:
Q - Lượng nước thấm hứng được trong thời gian t, (cm3);
F - Tiết diện thấm của mẫu than, bằng tiết diện ngang của ống mẫu, (cm2);