Dự báo độ chứa khí và độ thoát khí mê tan để phòng chống cháy nổ khí tại các mỏ hầm lò

Mức độ nguy hiểm về khí mê tan có ảnh hưởng rất lớn đối với công tác khai thác than hầm lò và trong nhiều trường hợp có ảnh hưởng mang tính quyết định đến việc lựa chọn mô hình khai thác mỏ, mô hình hệ thống thông gió, chọn quạt, phương pháp mở vỉa chuẩn bị. Chính vì vậy, việc đánh giá mức độ nguy hiểm về khí mê tan đối với mỗi vùng khoáng sàng hay từng mỏ than hầm lò có ý nghĩa rất to lớn, nó giúp cho những người làm công tác mỏ đưa ra các biện pháp, giải pháp ngăn ngừa hiểm hoạ cháy nổ cũng như áp dụng các trang thiết bị, phương pháp khai thác phù hợp với mức độ nguy hiểm về khí mê tan đã được đánh giá.

Việc dự báo độ thoát khí mê tan vào khu vực khai thác hoặc cho một mức khai thác mới trong tương lai thực sự là công việc quan trọng, nó ảnh hưởng đến việc quyết định lựa chọn phương pháp thông gió, phương pháp chuẩn bị và khai thác, nhiều khi có ảnh hưởng mang tính quyết định toàn mỏ. Để tính toán dự báo độ thoát khí cần thiết phải tính toán dự báo độ chứa khí ở các mức sâu hơn. Dưới đây nêu các phương pháp tính toán dự báo độ chứa khí và độ thoát khí thường hay sử dụng:

1. Phương pháp tính toán dự báo độ chứa khí tự nhiên

Theo các nhà khoa học thuộc mỏ thử nghiệm Barbara thuộc Viện Mỏ Trung ương Ba Lan (GIG) độ chứa khí tự nhiên khi xuống sâu có thể dự báo bằng phương pháp nội suy (H1).

Trên cơ sở hạ tầng các thông số độ chứa khí tự nhiên đã được xác định ở các mức trên trong từng vỉa và căn cứ vào xu hướng thay đổi độ chứa khí tự nhiên theo chiều sâu có thể dự báo độ chứa khí tự nhiên ở các mức sâu hơn.

2. Phương pháp tính toán dự báo độ thoát khí mê tan vào đường lò

Trên thế giới hiện nay có các phương pháp dự báo độ thoát khí mê tan được thông dụng bao gồm:

- Phương pháp tại các nước Tây Âu theo: Shulza, Wintera, Stuffkena và Pattei Skyego.

- Phương pháp thống kê của Liên Xô (cũ).

- Phương pháp của Viện Skoczynski (CHLB Nga)

- Phương pháp dựa vào bản đồ đồng đẳng độ chứa khí tự nhiên.

- Phương pháp dự báo độ thoát khí vào lò chợ của mỏ thử nghiệm Barbara (Ba Lan).

Dưới đây là mô tả sơ bộ phương pháp thông dụng nhất đang được sử dụng đó là phương pháp theo mỏ thực nghiệm Barbara (Ba Lan).

Điểm mấu chốt của phương pháp là xác định nguồn gốc xuất khí CH ₄vào đường lò khai thác. Khí CH ₄được xuất ra từ than mới khấu, từ mặt gương lò chợ, từ các lò chuẩn bị (Lò chân và lò đầu) và từ các vỉa lân cận.

VE = (VE1 + VE2 + VE3 + VE4) (1)

Trong đó: VE - ∑ Lượng khí CH4 thoát ra, m3 CH ₄/phút; VE1 - Lượng khí CH ₄thoát ra từ than mới khấu, m3 CH ₄/ phút; VE2 - Lượng khí CH ₄xuất ra từ bề mặt lộ gương lò chợ, m3 CH ₄/ phút; VE3 - Lượng khí CH4 xuất ra từ đường lò chuẩn bị, m3 CH ₄/ phút; VE4 - Lượng khí CH ₄xuất ra từ các vỉa lân cận, m3 CH ₄/ phút.

Lượng khí CH ₄thoát ra từ than mới khấu được tính bằng công thức:

Trong đó PE - Tiến độ lò chợ, m/ngày - đêm, l - Chiều dài lò chợ, m; mW - chiều dày than khai thác, m; g - Trọng lượng thể tích của than, tấn/ m3; Wo, Wk - Độ chứa khí của than tại gương và độ chứa khí còn lại, m3 CH ₄/T. Trong công thức lấy giá trị 0.8 Wo.

Khí CH4 thoát ra từ bề mặt lộ gương:

W _E2= (m _wlg _p) (3)

Trong đó: g _p- Cường độ xuất khí từ bề mặt lộ gương, m3 CH4/m2 phút,

Giá trị của hệ số cường độ xuất khí xác định theo đồ thị riêng. Khí CH ₄thoát ra từ các đường lò chuẩn bị (VE3) trong trường hợp khai thác khấu đuổi cần được tính dựa vào phương pháp tính toán dự báo độ thoát khí CH ₄vào các đường hầm lò đào trong than.

Đối với hệ thống khai thác khấu giật, đại lượng VE3 rất nhỏ bởi vì: không có khí mê tan xuất ra từ than được khấu tại gương lò chuẩn bị, không có khí mêtan xuất ra bề mặt gương lò chuẩn bị; lượng khí mê tan xuất ra từ thành đường lò chuẩn bị sẽ rất nhỏ do đường lò đã được đào xong trong thời gian khá lâu.

Do đó, có thể bỏ qua đại lượng này đối với phương pháp khấu giật. Lượng khí CH ₄xuất ra từ các vỉa lân cận chiếm một tỉ trọng khá lớn trong tổng lượng khí CH ₄thoát ra vào đường lò khai thác (Lò chợ). Đại lượng này tỷ lệ thuận với bề mặt lộ trần (tức là tích số của chiều dài lò chợ và tiến độ lò chợ) với độ chứa khí của vỉa, chiều dày vỉa và tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ vỉa lân cận đó đến vỉa đang khai thác. Ngoài ra, còn phụ thuộc vào phương pháp điều khiển đá vách. Đại lượng này được tính theo công thức:

Trong đó: h i - Tỷ lệ phần trăm độ biến dạng dịch động của vỉa ra vùng lân cận (hệ số tỷ lệ phần trăm tháo khí), %; Si - Lượng khí CH ₄tính cho 1 m2 của vỉa lân cận, m3 CH ₄/m2.

Giá trị Si tính bằng công thức bổ trợ:

Si = mi x W01 x g

Trong đó mi - Chiều dày của vỉa lân cận, m; W01 - Độ chứa khí CH ₄của vỉa lân cận, m3 CH4/T.

Để xác định hệ số tháo khí của các vỉa lân cận h i cần sử dụng bảng tra riêng. Khái niệm “khoảng cách biểu kiến” ta hiểu là hiệu số của khoảng cách thực tế chia cho chiều cao khấu của lò chợ đang khai thác. Đối với hệ thống khai thác bằng phá hoả toàn phần ta lấy toàn bộ chiều cao khấu. Đối với hệ thống khai thác bằng chèn lò ta lấy giá trị dịch động vách thực tế. Thực tế khi khai thác bằng chèn lò thuỷ lực cát ta lấy giá trị 20% chiều cao khấu, chèn lò khô ta lấy giá trị 35 – 40% chiều cao khấu.

3. Tính toán dự báo độ thoát khí và so sánh với kết quả đo đạc thực tế

Qua so sánh cho thấy các kết quả về cơ bản tương đối khớp nhau. Nhìn chung các kết quả dự báo cao hơn kết quả đo đạc thực tế. Về nguyên tắc an toàn có thể chấp nhận được.

4. Kết luận

Khí mê tan là khí vô cùng nguy hiểm đối với ngành khai thác than hầm lò. Khí mê tan luôn luôn thoát ra đường lò với nhiều hình thức khác nhau và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố phức tạp, do đó cần thiết phải nghiên cứu độ thoát khí mê tan, dự báo độ thoát khí mê tan và có nhận thức đúng đắn hơn về sự nguy hiểm, cách phòng chống cháy, nổ khí mê tan trong công tác mỏ.

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phương pháp nghiên cứu độ thoát khí và dự báo độ thoát khí mê tan vào trong đường lò của các nước như Liên Xô (cũ), Ba Lan, các nước Tây Âu, Nhật… Tuy nhiên để có thể áp dụng một cách hiệu quả các phương pháp này vào ngành mỏ Việt Nam chúng ta cần phải xem xét một cách tỉ mỉ. Qua nghiên cứu cho thấy việc áp dụng phương pháp dự báo độ thoát khí mê tan vào trong đường lò của Ba Lan là phù hợp hơn với mỏ hầm lò Việt Nam. Thời gian qua Trung tâm An toàn Mỏ - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã áp dụng phương pháp này cho hầu hết các mỏ hầm lò trong Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam, phục vụ công tác phân loại mỏ và là cơ sở để có giải pháp, biện pháp phòng chống cháy nổ khí mê tan, đảm bảo sản xuất “An toàn - Tăng trưởng - Hiệu quả”.