Kết quả thử nghiệm khoan ngang đập - xoay bằng bộ ống mẫu luồn ở công ty than Mạo Khê
Hiện nay, một số mỏ than khai thác hầm lò đã chủ động áp dụng công nghệ khoan tiến trước để giải quyết các vấn đề trên. Từ năm 2002 theo kế hoạch của dự án hợp tác nghiên cứu “áp dụng công nghệ phòng chống bục nước trong các mỏ than hầm lò Việt Nam” giữa Viện Khoa học Công nghệ Mỏ và JCoal (Nhật Bản), địa điểm áp dụng dự án là Công ty Than Mạo Khê; phía Nhật Bản đã đưa sang hai loại thiết bị khoan trong hầm lò: PPn - 2 và RPD - 75SL. Trong đó, thiết bị khoan RPD - 75SL là thiết bị khoan đập - xoay hiện đại có khả năng khoan ngang, xiên thượng, xiên xuống trong đá rắn với chiều dài lỗ khoan đến 150 m, đường kính khoan mở lỗ 150 mm, đường kính kết thúc 65 mm. Đặc biệt, trong thời gian qua đã tiến hành áp dụng công nghệ khoan ống mẫu luồn lấy mẫu trong lỗ khoan ngang bằng thiết bị RPD - 75 SL.
1. Tính ưu việt của công nghệ khoan ống mẫu luồn
Công nghệ khoan ống mẫu luồn nói chung có những ưu việt hơn so với công nghệ khoan truyền thống như sau:
- Tăng độ tin cậy thông tin địa chất nhờ tăng tỷ lệ mẫu.
- Tăng tốc độ hiệp khoan, tăng năng suất khoan nhờ kéo ống chứa mẫu bằng cáp, do đó giảm thời gian kéo dài thả cột cần khoan, giảm chi phí thời gian và năng lượng lao động cho người thợ khoan.
2. Đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu luồn PS - 89 H khoan ngang trong hầm lò
Đồng bộ bộ ống mẫu luồn khoan ngang trong hầm lò gồm các dụng cụ công nghệ: Cột cần khoan, bộ ống mẫu, mũi khoan; dụng cụ phụ trợ như: Bộ chụp vớt, bộ bịt kín miệng cần khoan khi thả bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt ống chứa mẫu; tời và pu li ròng rọc kéo thả ống chứa mẫu bằng cáp; và các dụng cụ cứu kẹt cột cần trong lỗ khoan.
Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS - 89 H.
Các thông số | Đơn vị | PS - 89 H |
Đường kính ngoài mũi khoan | mm | 101 |
Đường kính trong mũi khoan | mm | 45 |
Đường kính ngoài ống mẫu ngoài | mm | 89,1 |
Đường kính trong ống mẫu ngoài | mm | 63,5 |
Đường kính ngoài ống chứa mẫu | mm | 60,5 |
Đường kính trong ống chứa mẫu | mm | 50,5 |
Đường kính ngoài ống cần khoan | mm | 89,1 |
Đường kính trong ống cần khoan | mm | 63,5 |
Trọng lượng bộ ống chứa mẫu | kg/m | 65 |
Chiều dài bộ ống chứa mẫu | mm | - |
Trọng lượng cần khoan | kg/m | 17,5 |
Chiều dài cần khoan | mm | 1500 |
Về nguyên lý làm việc của bộ ống mẫu luồn khoan ngang cũng tương tự như bộ ống mẫu luồn khoan thẳng đứng. Chỉ khác là khi thả bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt vào lỗ khoan bằng áp suất dòng nước rửa được bơm bằng máy bơm dung dịch thổi rửa mùn khoan. Vì vậy, bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt được lắp đặt vòng cao su chịu áp lực; đường kính vòng cao su tương đương với đường kính trong của cột cần khoan, như vậy sẽ tạo được lực đẩy ép bộ ống chứa mẫu hoặc bộ chụp vớt (khi thả bộ chụp vớt) xuống đáy lỗ khoan bằng áp suất dòng nước rửa bơm từ máy bơm dung dịch. Hiện nay bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS - 89 H của hãng Koken Nhật Bản đã được thử nghiệm khoan lấy mẫu và tháo nước tại lò mức - 80 ở Công ty Than Mạo Khê. Đặc tính kỹ thuật bộ ống mẫu luồn khoan ngang PS - 89 H xem bảng 1.
Thiết bị dùng khoan ngang là thiết bị đập xoay kiểu RPD - 75 SL; cơ cấu đập được bố trí ở đỉnh máy. Vì vậy mũi khoan dùng với bộ ống mẫu luồn khoan ngang là dạng mũi khoan lấy mẫu dùng trong khoan đập - xoay. Để kéo bộ ống chứa mẫu trong cột cần khoan dùng tời kéo kiểu SUS 304 dẫn động bằng động cơ thuỷ lực; đường kính cáp kéo 5 mm.
3. Đặc điểm công nghệ và một số kết quả khoan ngang bằng bộ ống mẫu luồn PS - 89 H
Bộ ống mẫu luồn PS - 89 H được thử nghiệm khoan bằng thiết bị RPD - 75 SL tại lò mức - 80 Công ty Than Mạo Khê. Từ các kết quả thực tế có thể rút ra một số nhận xét sau:
a. Lỗ khoan thử nghiệm được tiến hành khoan ngang, hướng lỗ khoan hợp với vách lò một góc 315 0. Từ 0 - 10 m khoan phá mẫu bằng múi khoan đường kính 127 mm và đặt ống chống đường kính 114 mm, trám xi măng cố định ống chống thành với thành lỗ khoan. Sau đó chuyển sang khoan ống mẫu luồn PS - 89 H đến chiều sâu 32 m. Chế độ công nghệ khoan xem bảng 2.
Bảng 2. Thông số chế độ khoan bằng ống mẫu luồn PS - 89 H
Đất đá | P n | P x | P d | P r |
Sét kết than | 0,8 - 1,2 | 0,7 - 1,0 | - | 0,6 - 0,8 |
Bột kết rắn chắc | 1,0 - 2,0 | 1,5 - 3,5 | 3,0 - 4,0 | 0,4 - 0,6 |
Cát kết lẫn sạn kết rắn chắc | 2,0 - 3,5 | 3,0 – 4,0 | 4,5 - 6,0 | 0,4 - 0,6 |
Ghi chú: P n- Lực nén, MPa; P x- Lực xoay, MPa; P d- Lực đập, MPa; P r- Giá trị áp suất nước rửa, MPa.
Thổi rửa mùn khoan bằng nước lã, lưu lượng nước rửa được lựa chọn phụ thuộc vào tính chất cơ lý đá; trong trường hợp cụ thể của lỗ khoan tại lò mức - 80 mỏ Mạo Khê, lưu lượng bơm thổi rửa trong quá trình khoan dao động từ 25 l/ph, đến 45 l/ph.
Tốc độ và áp lực truyền cho mũi khoan là những thông số cơ bản quyết định năng suất phá huỷ đá. Thiết bị khoan RPS - 75 SL được bố trí hai cơ cấu truyền áp lực cho mũi khoan phá huỷ đá: Truyền áp lực bằng hệ thống thuỷ lực kết hợp với xích truyền lực và truyền lực đập (năng lượng 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: Lực tĩnh được truyền từ hệ thống thuỷ lực và lực động được truyền từ cơ cấu đập. Khi khoan đá mềm dạng sét nén, than chỉ cần truyền áp lực tĩnh từ hệ thống thuỷ lực.
Tốc độ vòng quay được lựa chọn phụ thuộc vào tính chất cơ lý đá và phương pháp truyền áp lực cho mũi khoan. Trong trường hợp khoan đá mềm dạng sét nén hoặc than và áp lực truyền cho mũi khoan từ hệ thống thuỷ lực, tốc độ vòng quay có thể lựa chọn trong khoảng từ 500 v/ph đến 900 v/ph. Trong trường hợp khoan đá rắn chắc dạng cát, sạn kết kết hợp với lực đập, tốc độ vòng quay bộ dụng cụ được lựa chọn khoảng từ 150 v/ph đến 200 v/ph.
b. Tốc độ cơ học khoan trong địa tầng cát kết, sạn kết rắn chắc đạt từ 12 m/h đến 13 m/h cao hơn hẳn so năng suất khoan truyền thống. Mẫu lõi khoan tính theo từng hiệp khoan (mỗi hiệp dài 1,5 m) đạt trung bình từ 97% đến 98%.
c. Trong công nghệ khoan ngang ống mẫu luồn đặc biệt lưu ý tới quá trình thả bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt vào lỗ khoan bằng áp suất dòng nước rửa được bơm trực tiếp bằng máy bơm dung dịch thổi rửa mùn khoan. Để đưa bộ ống chứa mẫu và bộ chụp vớt vào lỗ khoan cần có bộ dụng cụ chuyên dùng bịt kín miệng cần khoan. Chế độ bơm đẩy bộ chứa mẫu và bộ chụp vớt: lưu lượng bơm 50 l/ph đến 70 l/ph; áp suất đẩy 2 - 3 MPa. Khi đó tốc độ chuyển động của bộ ống chứa mẫu trong cột cần khoan: 0,55 m/s đến 0,84 m/s; chuyển động của bộ chụp vớt từ 0,5 m/s đến 0,7 m/s.
d. Lỗ khoan thử nghiệm đã kết thúc ở chiều sâu 32 m, (chiều sâu dự kiến kết thúc 80 mét; nhưng do gặp vỉa than và nước tàng trữ trong vách lò xâm nhập vào lỗ khoan sập lở mạnh không khống chế được). Sau khi lỗ khoan kết thúc đã lắp đặt hệ thống van và đồng hồ đo áp lực nước chảy ra từ lỗ khoan. Kết quả đo cho thấy nước chảy ra từ lỗ khoan với lưu lượng 3 l/ph.
4. Kết luận
Cho đến nay, công tác khoan trong hầm lò mặc dù đang trong giai đoạn thử nghiệm và lựa chọn công nghệ hợp lý, song cũng đã đạt được một số kết quả nhất định trong lĩnh vực thăm dò bổ sung, chuẩn xác các dữ liệu địa chất và góp phần giải quyết một số vấn đề trong phạm vi an toàn phòng ngừa các sự cố bục nước trong hầm lò bằng cách khoan tháo nước tiến trước. Vì vậy trong tương lai cần triển khai ứng dụng để phục vụ cho các mục đích công nghệ khai thác và nâng cao mức độ an toàn trong các mỏ khai thác hầm lò.
Tài liệu tham khảo
- Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân, Nguyễn Tử Vinh. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan tháo khô nước ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh. Thông tin KHCN Mỏ số 3 năm 2004.
- Nguyễn Xuân Thảo và nnk. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu lựa chọn đồng bộ thiết bị và xây dựng qui trình khoan thăm dò và tháo nước phù hợp trong các mỏ hầm lò Quảng Ninh. Viện Khoa học Công nghệ Mỏ. 2004.
- Nguyễn Xuân Thảo. Công tác khoan và vấn đề an toàn chống bục nước và khí trong các mỏ than hầm lò. Thông tin KHCN Mỏ . Số 2 + 3 năm 2006.
