Xác định giá trị độ chứa khí mêtan của vỉa than phục vụ công tác xếp loại mỏ theo QCVN 01:2011/BCT

Theo các nghiên cứu khí mê tan được thành tạo từ việc phân hủy xenluylo, cứ 2,9 tấn xenluylo khi phân hủy tạo ra 1 tấn than và trong một tấn than chứa lượng khí mêtan lên tới 340m³/tấn than tùy theo từng loại than (than antraxit, than bitum (than mỡ), than á bitum và than nâu…).

Khí mê tan là khí không mầu, không mùi, không vị, Khí mê tan có tỷ trọng nhẹ hơn không khí (0,55 g/cm³). Đặc biệt, khí mê tan là khí có khả năng gây cháy nổ khi hỗn hợp khí mê tan với không khí có hàm lượng từ 5-:-15 % và nổ mạnh nhất khi đạt 9,5%. Trong quá trình khai thác, đào lò, khí mêtan thoát từ vỉa than vào các đường lò, do vậy trong tính toán thông gió cần tính toán đủ lượng gió cần thiết theo yếu tố thoát khí mêtan để hòa loãng hàm lượng khí mêtan xuống giới hạn an toàn.

Độ chứa khí mêtan là lượng khí mêtan tính theo điều kiện tiêu chuẩn có trong 1 tấn than khối cháy của vỉa than, than khối cháy là than không tính đến độ tro và độ ẩm, chất bốc (than sạch), đơn vị là m³/T_KC.

Mục đích của công tác xác định độ chứa khí mêtan là đánh giá, xác định giá độ chứa khí mêtan tự nhiên trong các vỉa than phục vụ công tác xếp loại mỏ hàng năm cho các mỏ than khai thác theo phương pháp hầm lò theo thông tư số 03/2011/TT-BCT ngày 15 tháng 02 năm 2011 về việc ban hành “Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò QCVN 01:2011/BCT”.

Qua đó, tại khoản 1, Điều 14, QCVN 01:2011/BCT nêu rõ “Tất cả các mỏ hầm lò phải được đánh giá, xếp loại mỏ theo khí Mêtan theo quy định”. Ngoài ra, tại khoản 3, Điều 51 cũng quy định rõ “Đối với mỏ có các khu vực cùng mức đang khai thác và ở mức sâu hơn đang đào lò để chuẩn bị khai thác trong năm, ngoài việc xác định hàm lượng khí Mêtan thoát ra trong quá trình khai thác, phải xác định thêm độ chứa khí Mêtan tự nhiên của vỉa than trong năm đó để so sánh xếp loại mỏ theo mức độ nguy hiểm nhất”.

Thực hiện theo các quy định trên, hàng năm các đơn vị khai thác than hầm lò phối hợp với Trung tâm An toàn mỏ – Viện Khoa học Công nghệ mỏ – Vinacomin giám sát, lấy mẫu, gia công, phân tích, tính toán và lập báo cáo trình Bộ Công thương xếp loại mỏ theo khí mêtan cho năm tiếp theo quy định.

Theo hướng dẫn tại Phụ lục III, QCVN 01:2011/BCT, công tác khảo sát, lấy mẫu được thực hiện như sau:

I. Công tác khảo sát, lấy mẫu than, mẫu khí

Phải khảo sát, lấy mẫu than, mẫu khí để xác định độ chứa khí Mêtan tự nhiên trong các vỉa than làm cơ sở xem xét xếp loại mỏ theo khí Mêtan.
Đối với gương các đường lò mở vỉa, chuẩn bị đào trong than, lò xuyên vỉa hoặc giếng gặp vỉa than và các gương khấu than của vỉa hiện đang khai thác hoặc đã tiếp cận phải lấy mẫu than, mẫu khí để xác định độ chứa khí Mêtan tự nhiên của vỉa than.
Đối với gương các lò xuyên vỉa, giếng nghiêng, lò cắt vỉa than phải tiến hành lấy mẫu than và mẫu khí ngay khi gặp vỉa than.
Đối với gương các lò chuẩn bị đào trong than và gương khấu than phải được lấy mẫu than, mẫu khí theo tiến độ đào lò, khai thác. Các đợt lấy mẫu được tiến hành sau mỗi lần tiến gương từ 30m ¸ 40m.
Khoan lấy mẫu phải sử dụng bộ choòng khoan chuyên dùng, có khả năng nối dài đến 4,5m; Sau khi nối dài phải đảm bảo choòng khoan thẳng, không bị lắc khi khoan.
Mẫu than lấy từ lỗ khoan phải được đưa vào bình đựng mẫu chuyên dùng, đảm bảo độ kín khít và bảo quản được mẫu theo quy định. Bên trong các bình lấy mẫu có chứa các viên bi bằng thép để nghiền nhỏ than trước khi đưa vào máy tách, hút khí.
Khi tiến hành lấy mẫu khí từ lỗ khoan hoặc lấy trong bầu không khí mỏ, phải sử dụng dụng cụ và túi lấy mẫu chuyên dùng có tính chống thẩm thấu khí. Ống lấy mẫu trong lỗ khoan phải có đường kính trong nhỏ hơn 10mm để đảm bảo mẫu được lấy chính xác.
Các mẫu than và mẫu khí lấy được phải bảo quản tốt và được phân tích trong vòng 03 ngày tính từ thời điểm lấy mẫu.
Các mẫu than và khí phải được gửi kèm với biên bản lấy mẫu (bản sao giấy đề nghị phân tích mẫu than xác định độ chứa khí, giấy đề nghị phân tích khí, bản đồ vỉa và sơ đồ xác định điểm lấy mẫu.

II. Quy trình lấy mẫu than và mẫu khí

Quy định chung

a) Việc lấy mẫu sẽ được tiến hành tại tất cả các vỉa than hiện đang khai thác hoặc tiếp cận;

b) Việc lựa chọn khu vực lấy mẫu được ưu tiên về thời gian và số lượng mẫu cho các khu vực có độ chứa khí cao theo các tài liệu đã có. Các khu vực khác cũng phải được xem xét lấy số lượng mẫu nhất định, đảm bảo xác định được mức độ nguy hiểm về khí Mêtan;

c) Các mẫu được lấy tại các gương lò đang hoạt động, trong vòng 24 giờ sau khi nổ mìn;

d) Các mẫu than được lấy tại các gương đường lò dọc vỉa hoặc lò chợ trong quá trình tiến gương.

2. Lựa chọn khu vực lấy mẫu

Trước khi lựa chọn khu vực lấy mẫu, phải xem xét các tài liệu cơ sở sau:

a) Tài liệu địa chất hiện có về độ chứa khí đã được xác định ở từng khu vực trong tài liệu thăm dò địa chất;

b) Số liệu về hàm lượng khí Mêtan trong luồng gió thải của mỏ;

c) Số liệu về độ chứa khí Mêtan trong quá trình khai thác (nếu có);

d) Phương pháp khai thác (khấu giật, khấu đuổi, chia lớp …).

Khu vực lấy mẫu có độ chứa khí cao theo các tài liệu đã có được ưu tiên về thời gian và tăng số lượng mẫu. Đối với các khu vực khác, mẫu được lấy với số lượng đảm bảo đủ để xác định được mức độ nguy hiểm về khí Mêtan.

4.Công tác khoan lấy mẫu than, mẫu khí

4.1 Công tác chuẩn bị

a) Xác định vị trí lấy mẫu trên bản đồ đường lò và bản đồ vỉa;

b) Chuẩn bị bộ choòng khoan nối dài, khoan tới độ sâu từ 3m đến 4,5 m;

c) Chuẩn bị máy đo nhanh khí Mêtan, bộ dụng cụ và túi lấy mẫu;

d) Chuẩn bị đủ số lượng bình bình chứa mẫu cần thiết, kiểm tra ống dẫn, vòng đệm đảm bảo kín, đủ bi thép (3 viên);

e) Chuẩn bị các dụng cụ tháo lắp choòng khoan;

g) Chuẩn bị đồng hồ bấm giây;

h) Chuẩn bị các biên bản lấy mẫu;

i) Chuẩn bị đất sét ướt để bịt lỗ khoan khi lấy mẫu than.

4.2 Công tác khoan

a) Trước khi khoan, phải kiểm tra tình trạng của thiết bị khoan (choòng khoan, múp nối choòng, mũi khoan) để bảo đảm an toàn mới đưa thiết bị khoan vào hoạt động và chuẩn bị vật liệu nút lỗ khoan để lấu mẫu khí. Chỉ khi kiểm tra xong mới tiến hành khoan lấy mẫu;

b) Công tác khoan lấy mẫu than

– Trong các đường lò mở vỉa chuẩn bị đào trong than, để lấy mẫu phải khoan các lỗ khoan ở các góc gương lò, khoảng cách giữa hai lỗ khoan liền kề tối thiểu là 1m. Các lỗ khoan phải cắt các phân lớp than của vỉa với số lượng nhiều nhất, do đó phải khoan nghiêng so với phân lớp của vỉa. Tại mỗi gương lò dọc vỉa phải khoan ít nhất 02 lỗ (Hình 1).

– Đối với các đường lò xuyên vỉa và các giếng nghiêng khi gặp vỉa than, phải khoan ít nhất hai lỗ khoan vuông góc với mặt phẳng của gương lò theo phương của vỉa, chiều sâu lỗ khoan như Hình 1. Khoảng cách giữa hai lỗ khoan liền kề tối thiểu là 1m .

– Đối với lò chợ phải khoan hai lỗ ở khoảng cách bằng 1/3 chiều dài lò chợ về phía chân và đầu lò chợ (Hình 2). Các lỗ khoan phải cắt các lớp than của vỉa với số lượng nhiều nhất. Khi khoan lấy mẫu trong lò chợ, phải lấy mẫu tại các khu vực gương mới lộ.

Khi khoan lấy mẫu ở các gương lò ẩm ướt, có thể khoan bên hông đường lò để lấy được mẫu than khô với điều kiện mặt lộ than không quá 24 giờ. Độ sâu lỗ khoan lấy mẫu từ 3,0m đến 4,5m.

4.3 Công tác lấy mẫu

a) Kiểm tra bình đựng mẫu

– Kiểm tra bình đựng mẫu than trước khi lấy mẫu: Kiểm tra kích thước và hình dáng bên ngoài, gioăng cao su, khoá bình sau khi lấy mẫu và độ kín khí ra của bình lấy mẫu, số lượng bi đưa vào bình.

Chỉ khi nào kiểm tra xong mới tiến hành lấy mẫu than. Kết quả kiểm tra được ghi vào sổ của người chỉ huy lấy mẫu.

b) Lấy mẫu than trong lỗ khoan

– Khi khoan tới độ sâu 2,5m thì dừng khoan, làm sạch lỗ khoan, đặt dụng cụ lấy mẫu ở miệng lỗ khoan và tiếp tục khoan đồng thời bấm đồng hồ đo thời gian.

– Lấy 02 mẫu từ những phoi than có được trong thời gian khoan: Mẫu thứ nhất lấy từ đoạn lỗ khoan ở độ sâu 2,5m ¸ 3,0m, mẫu thứ hai từ đoạn ở độ sâu 3,5m¸4,0 m.

– Khi đã đủ lượng mẫu (khoảng 100g) thì dừng khoan, đồng thời khẩn trương lấy phoi than thu được (lựa lấy phoi than có cỡ hạt từ 1m ¸ 2 mm). Dùng cốc đo có vạch chia đong 100 ml phoi than đổ vào bình.

– Sau khi đổ phoi than vào bình, lau sạch vòng đệm và đặt vào bình, sau đó đậy và vặn chặt nắp nén chặt vòng đệm. Sau thời gian 2 phút kể từ khi bấm đồng hồ lấy mẫu thì phải đóng kín đầu ống dẫn bằng nút.

– Trước khi khoan tiếp để lấy mẫu thứ 2 ở độ sâu 3,5m ¸ 4,0 m, lỗ khoan cần được làm sạch sau đó tiến hành lấy mẫu như khi lấy mẫu thứ nhất.

– Ngoài việc lấy mẫu than ở gương lò cần phải xác định hàm lượng khí Mêtan trong không khí mỏ bằng máy đo nhanh hoặc lấy mẫu khí để phân tích.

– Trường hợp không lấy được phoi than từ lỗ khoan do than bị ẩm ướt hoặc trong gương lò đang đào với tiến độ cao bằng máy combai, cho phép lấy mẫu than dưới dạng than cục cỡ hạt 10m ¸ 20mm, khối lượng 100g. Mẫu than cục cần lấy từ gương lò trong thời gian không quá 1 giờ kể từ khi lộ gương.

– Đánh dấu các điểm lấy mẫu trên bản đồ đường lò mỏ và xác định toạ độ các vị trí này. Ghi vào biên bản lấy mẫu: Ký hiệu mẫu, tên mỏ, ngày lấy mẫu, tên vỉa than, độ sâu đường lò, độ sâu lấy mẫu trong lỗ khoan, thời gian lấy mẫu, họ tên người lấy mẫu, số mẫu .

c) Lấy mẫu khí trong lỗ khoan

Kiểm tra túi lấy mấu khí và dụng cụ lấy mẫu khí, bao gồm:

– Tình trạng, mã hiệu, thời hạn sử dụng và thời hạn bảo quản mẫu cuả túi lấy mẫu khí.

– Khoá túi và độ kín khít của túi lấy mẫu.

– Đường kính và độ bền cơ học của ống lấy mẫu khí.

Chỉ khi nào kiểm tra xong mới tiến hành lấy mẫu khí. Kết quả kiểm tra được ghi vào sổ của người chỉ huy lấy mẫu.

Công tác lấy mẫu khí thường kết hợp với lấy mẫu than tức là sau khi lấy mẫu than trong lỗ khoan tiến hành lấy mẫu khí với các dụng cụ chính là ống lấy mẫu chuyên dùng luồn vào lỗ khoan và túi đựng mẫu khí theo sơ đồ Hình 3. Trường hợp không có túi lấy mẫu chuyên dùng, có thể lấy mẫu khí bằng chai hoặc túi cao su. Trước khi lấy mẫu, phải kiểm tra ống lấy mẫu đảm bảo thông suốt, bình lấy mẫu và các van phải kín, tiếp theo phải “rửa” và ép hết khí từ trong các túi đựng mẫu.

Việc lấy mẫu khí trong lỗ khoan nhằm mục đích chính là kiểm chứng và thu thập số liệu cho công tác xác định nhanh độ chứa khí Mêtan sau này.

Mẫu khí được lấy từ các lỗ khoan trong các gương lò chuẩn bị trong than, gương lò chợ mới lộ (sau khi nổ mìn), trong các gương đường lò xuyên vỉa đào qua các vỉa than.

Sau khi khoan và làm sạch phôi tiến hành luồn ống lấy mẫu chuyên dùng vào lỗ khoan, dùng đất sét trét bịt kín miệng lỗ khoan, kẹp chặt ống cao su với thân ống thép. Sau 60 phút kể từ khi bịt kín miệng lỗ khoan, tiến hành tháo kẹp và lấy mẫu thứ nhất, mẫu thứ hai lấy sau mẫu thứ nhất 15 phút. Ghi ký hiệu vị trí lấy mẫu, số hiệu mẫu và đưa các mẫu trên về phòng thí nghiệm để phân tích.

Cùng với việc lấy mẫu khí từ lỗ khoan, để xác định độ thoát khí từ khu vực, phải lấy mẫu khí trong không gian trước gương lò, luồng gió thải của gương lò và đo lưu lượng gió thải từ gương lò theo sơ đồ Hình 4.

Hình 1: Sơ đồ vị trí lỗ khoan lấy mẫu than trong lò chuẩn bị

Hình 2. Sơ đồ vị trí lỗ khoan lấy mẫu than trong lò chợ

Hình 3. Sơ đồ lấy mẫu khí trong lỗ khoan

Hình 4. Sơ đồ lấy mẫu khí trong đường lò chuẩn bị

Công tác xử lý mẫu

a) Mẫu than lấy từ hiện trường về được đưa vào máy lắc rung để nghiền. Mẫu than được nghiền bởi những viên bi trong bình khi chuyển động tịnh tiến lên xuống. Thời gian nghiền tối đa là 5 giờ, tối thiểu là 2 giờ. Trong thời gian từ lúc lấy mẫu đến khi nghiền xong, nút đậy cao su được đóng kín;

b) Quá trình tách khí được thực hiện trên thiết bị tách khí MOD-1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này là dùng một bơm chân không dạng màng hút toàn bộ lượng khí có trong bình chứa mẫu than, kể cả lượng khí thoát ra từ mẫu than vào một bình trung gian. Thiết bị này có thể xác định được chính xác thể tích và áp suất khí có trong bình;

c) Mẫu khí sau khi được tách qua thiết bị MOD-1 được đưa vào máy sắc ký khí phân tích xác định tỷ lệ phần trăm khí mê tan có trong mẫu khí;

d) Mẫu than trong bình được đem đi cân xác định chính xác khối lượng, sau đó được đưa vào các thiết bị phân tích để xác định các thành phần độ tro, độ ẩm, chất bốc, từ đó xác định được khối lượng than nguyên chất (than sạch) của mẫu.

Bình đựng mẫu than Thiết bị phân tích độ tro, độ ẩm, chất bốc

Hình 5. Thiết bị đựng mẫu và phân tích các thành phần than

Tính toán kết quả

a) Kết quả hàm lượng khí Mêtan xác định trên máy sắc ký khí bao gồm khí thoát ra từ mẫu than và khí Mêtan có sẵn trong bầu không khí mỏ tại thời điểm và vị trí lấy mẫu. Tính toán, xác định lượng khí thoát ra từ mẫu than được thực hiện như sau:

– Hàm lượng khí Mêtan thu được trong mẫu khí từ than đưa vào phân tích xác định được hàm lượng tương đối của Mêtan là C₁ (%), với thể tích của bình chứa mẫu than là V tính được thể tích Mêtan tương ứng là v₁ (cm³);

– Không khí mỏ tại thời điểm và vị trí lấy mẫu đưa vào phân tích xác định được hàm lượng tương đối của Mêtan là C₂ (%);

– Với thể tích của bình là V, tính thể tích v₂ (cm³) của Mêtan trong không khí mỏ có sẵn trong bình là:

v₂ = C₂ /100 * Vcm³)

Từ đó tính được thể tích khí Mêtan v (cm³) thoát ra từ mẫu than là:

v = v₁ – v₂ , (cm³)

– Khối lượng mẫu than là G₁ (gam), độ tro của mẫu là A(%), độ ẩm là W (%), chất bốc là V (%) như vậy khối lượng than sạch G trong mẫu là:

G = G₁ – ( A . G₁ + W . G₁ + V.G₁), g

– Độ chứa khí tự nhiên của vỉa thể hiện qua mẫu tính được là:

M₁ = v/G ,(m³ / tấn than sạch).

– Độ chứa khí tự nhiên thực tế của vỉa thể hiện qua mẫu là:

M = 1,33 . M₁

(1,33 – Hệ số thực nghiệm có tính đến lượng khí đã thoát ra trong quá trình đào lò, lượng khí thoát qua các khe nứt ở vách và trụ vỉa).

Xếp loại mỏ theo độ chứa khí Mêtan tự nhiên trong vỉa than

a) Độ chứa khí đối với từng vị trí lấy mẫu: Mỗi vị trí khoan 02 lỗ khoan, mỗi lỗ khoan lấy 02 mẫu và lựa chọn giá trị cao nhất làm giá trị độ chứa khí tại điểm lấy mẫu;

b) Độ chứa khí đối với từng khu vực vỉa: Mỗi khu vực vỉa có nhiều vị trí lấy mẫu theo thời gian, lựa chọn điểm lấy mẫu có giá trị cao nhất làm giá trị độ chứa khí của vỉa để đưa vào phân loại cho khu vực vỉa đó;

c) Độ chứa khí đối với toàn mỏ: Khi các khu vực vỉa có nối với nhau bằng một hệ thống thông gió chung thì hạng mỏ được lấy theo hạng mỏ cao nhất của các khu vực vỉa.

Trung tâm An toàn Mỏ là đơn vị tư vấn hàng đầu trong lĩnh vực quản lý khí mỏ, có kinh nghiệm hơn 20 năm thực hiện thực hiện công tác lấy mẫu, tính toán, lập báo cáo xếp loại mỏ được Tập đoàn Công nghiệp than – Khoáng sản Việt Nam, Tổng Công ty Đông Bắc, Công ty Gang thép Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Khoáng sản Kim Bôi… tin tưởng, phối hợp thực hiện công tác này.