1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Nguyễn Trần Tuân

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ
ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ
VÙNG MẠO KHÊ

Ngành: Kỹ thuật dầu khí
Mã số: 62.52.06.04

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện: Thƣ viện Quốc gia Hà Nội
hoặc Thƣ viện Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất 3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, một số mỏ vùng Quảng Ninh đã
xảy ra các vụ nổ khí lớn gây thiệt hại đến ngƣời và tài sản mỏ nhƣ
Công ty than Mạo Khê năm 1999 làm thiệt mạng 19 ngƣời, hai vụ nổ
khí liên tiếp xảy ra tại Xí nghiệp than Khe Chàm II và Xí nghiệp khai
thác than 909 năm 2002 làm chết 13 ngƣời. Tháng 3 năm 2006, tại
Công ty than Thống Nhất đã xảy ra vụ nổ khí Mêtan làm chết 8
ngƣời và gần đây nhất là vụ nổ khí tại Công ty than Khe Chàm ngày
09 tháng 12 năm 2008 làm chết 11 ngƣời.
Song song với việc áp dụng phƣơng pháp thông gió truyền
thống để làm giảm hàm lƣợng khí Mêtan trong mỏ đến mức an toàn;
Mỏ Mạo Khê cũng đã bắt đầu áp dụng phƣơng pháp khoan các lỗ
khoan theo các hƣớng khác nhau để tháo khí Mêtan trong các vỉa
than, trong các khu vực đã khai thác và trong đá vách bao quanh khu
vực khai thác. Thực tế cho thấy, khi khoan các lỗ khoan ngang dài
đều cho năng suất thấp và không đạt tới chiều dài thiết kế; nguyên
nhân chủ yếu là do chƣa lựa chọn đƣợc phƣơng pháp khoan và công
nghệ khoan hợp lý, phù hợp với yêu cầu, mục đích tháo khí Mêtan
của mỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp khoan, công
nghệ khoan ngang hợp lý để khoan các lỗ khoan tháo khí ở mỏ Mạo
Khê phù hợp với điều kiện địa chất mỏ, điều kiện khai thác ở mỏ
Mạo Khê nhằm đảm bảo an toàn khai thác, giảm ô nhiễm môi trƣờng
là rất cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn đáp ứng các nhu cầu sản

chọn các thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý để khoan ngang
tháo khí ở mỏ Mạo Khê và xác định hiệu quả tháo khí Mêtan bằng
các lỗ khoan ngang.
5. Phương pháp nghiên cứu 5
- Thu thập, nghiên cứu, phân tích tài liệu và số liệu liên quan
tới lĩnh vực nghiên cứu đề tài;
- Thử nghiệm trong điều kiện thực tế; quan trắc và thu thập số
liệu thực tế về công nghệ khoan xoay - đập khi khoan ngang tháo khí
trong điều kiện mỏ Mạo Khê;
- Ứng dụng phƣơng pháp toán xác suất thống kê, phân tích và
xử lý các số liệu quan trắc thực tế để lựa chọn công nghệ khoan
ngang hợp lý.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan
xoay - đập bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ dụng cụ
khoan ống mẫu luồn PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí
trong điều kiện mỏ Mạo Khê, không chỉ khắc phục các nhƣợc điểm
khi khoan bằng phƣơng pháp khoan xoay, mà còn nâng cao tốc độ cơ
học khoan, hiệu quả tháo khí. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học,
luận chứng để lựa chọn công nghệ khoan tháo khí ở các mỏ than khai
thác hầm lò vùng Quảng Ninh.
- Ý nghĩa thực tiễn: lựa chọn các thông số chế độ khoan ngang
hợp lý tháo khí ở mỏ Mạo Khê bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W
và bộ dụng cụ khoan ống mẫu luồn PS-89 phù hợp với điều kiện địa
chất, điều kiện khai thác để nâng cao hiệu quả khoan và tháo khí, đáp
ứng kịp thời nhu cầu hiện tại về tháo khí Mêtan của mỏ.
7. Điểm mới của luận án

10. Khối lượng và cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chƣơng nội dung nghiên
cứu, kết luận, kiến nghị, danh mục các công trình khoa học của tác
giả đã đƣợc công bố và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội dung của
luận án đƣợc trình bày trong 138 trang trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14, 7
font chữ Time New Roman, Unicode, trong đó có 58 hình vẽ, 27
bảng biểu và phần phụ lục.
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở
CÁC MỎ THAN HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác
hầm lò trên thế giới
Ngày nay, khoa học đã khẳng định khí Mêtan thoát ra từ các
mỏ khai thác than xâm nhập vào bầu khí quyển là một trong những
nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trƣờng và hiệu ứng nhà kính.
Tuy nhiên, nếu nhìn nhận dƣới góc độ tích cực thì bản thân khí
Mêtan là một nguồn nguyên liệu dùng làm khí đốt cho dân sinh;
dùng cho công nghiệp hoá học; các nồi hơi, các lò nung công nghiệp;
dùng cho sản xuất điện. Nhƣ vậy, trong công nghiệp khai thác than,
nếu thu hồi và có công nghệ sử dụng hợp lý thì khí Mêtan lại là một
nguồn tài nguyên quý, đồng thời việc thu hồi khí Mêtan thoát ra
trong quá trình khai thác sẽ góp phần tích cực loại trừ đƣợc hiểm
hoạ cháy nổ mỏ và giảm thiểu gây ô nhiễm môi trƣờng.
1.2. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên
thế giới
Hiện nay, trên thế giới đang tồn tại hai phƣơng pháp cơ bản
tháo và thu hồi khí Mêtan từ các vỉa than: phƣơng pháp thu hồi khí

Ninh. Các nham thạch phân bố theo lớp và chuyển tiếp theo qui luật
chung. Các lớp sét than, sét kết, bột kết nằm sát vỉa than và tạo
thành vách, trụ vỉa than; nằm xa vỉa than là các lớp cát kết, sạn kết,
cuội kết.
2.2. Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê
Các vỉa than ở mỏ Mạo Khê đều thuộc loại than biến chất cao;
màu sắc của than biến đổi từ màu đen đến màu đen xám. Than tƣơng 9
i rn chc, cng ca than theo cp khoan t III-V; cng
theo cp f thng ln hn 2; khi lng riờng 1,55 1,70 g/cm
3
.
Khoỏng vt thng gp trong mu than l sột arghilit, oxit silic.
2.3. Hin trng khai thỏc than v tỡnh trng khớ Mờtan m
Mo Khờ
2.3.1. Hin trng khai thỏc than m Mo Khờ
Hiện nay, mỏ than Mạo Khê đang tiến hành khai thác ở cánh
Bắc gồm các vỉa 9
b
Tây, mức -80/-25; V8 Tây, mức -80/+30; V8 Đ
mức -150/-80, V7

Đ.TR, mức -80/-25; V7 T mức -80/-25; V6 T mức
-80/-25; V6 Đ.V mức -80/-25; V6

Đ.TR mức -80/-25; V6

Đ.MR mức

Hình 3.1 Hình dạng cột cần khoan bị nén trong lỗ khoan ngang
Tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan xác định
theo công thức sau:

tck
PPPP 
0
(3.4)
trong đó:
k
P
- tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi
khoan, N;
0
P
- tải trọng tối đa cho phép của đầu máy khoan và phụ
thuộc vào đặc tính kỹ thuật của máy khoan, N;
c
P
- trọng lƣợng cần
khoan, N;
3.1.2. Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang
, cách tâm lỗ khoan một khoảng cách
r
(hình 3.9) và chịu các
lực tác dụng:
Z
Z 0


(3.10)
trong đó:
0

- trọng lƣợng riêng của đá, N/m
3
; z - khoảng cách
lỗ khoan so với mặt đất,m.
Ứng suất ngang
r

ở hông thành lỗ khoan xác định theo
công thức:

r
=
Z
z 0


(3.11)
trong đó:

là do trọng lƣợng cột cần luôn luôn có xu hƣớng tỳ lên thành dƣới
thành lỗ khoan kết hợp với nhiều lần kéo thả bộ dụng cụ khoan. Sơ
đồ tạo rãnh phụ trong lỗ khoan mô tả ở hình 3.10. 3.2. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí
Mêtan ở mỏ Mạo Khê
3.2.1. Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê
Căn cứ vào nhiệm vụ kế hoạch khai thác vỉa than 9Đ và tiềm
năng khí Mêtan trong vỉa than sẽ bố trí các lỗ khoan ngang dài trên
vách lò chợ để tháo khí trƣớc khi khai thác. Lỗ khoan đƣợc bố trí tại
khám khoan cách gƣơng lò chợ sẽ khai thác 350m (hình 3.12). Trong
khám khoan sẽ bố trí các lỗ khoan hình dải quạt hƣớng về phía
gƣơng lò chợ. Lỗ khoan thứ nhất hợp với trục lò gió thải một góc
30
0
; lỗ khoan thứ hai hợp với lỗ khoan thứ nhất một góc 15
0
. Các lỗ
khoan bố trí nhƣ vậy sẽ thu hồi khí ở vỉa than và đá vách trƣớc khi
khai thác và ở khoảng không gian lò chợ đã phá hoả đánh sập sau khi
a
1
2

Số lƣợng lỗ khoan
n
tại khu vực khai thác xác định theo công
thức:
MT
Q
Q
n 
(3.19)
Q - Trữ lƣợng khí trong khu vực khai thác lò chợ;
Q
MT
- khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác,
m
3
/tháng 14
3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo
Khê
3.2.2.1. Các quan điểm về lựa chọn công nghệ khoan hợp lý
3.2.2.2. Quan điểm nâng cao tốc độ cơ học khoan trên cơ sở tiêu hao
năng lượng phá huỷ đá
Theo quan điểm này, muốn tăng tốc độ cơ học cần: tăng năng
lƣợng phá huỷ đá bằng cách tăng tốc độ quay cột cần khoan và tải
trọng chiều trục lên mũi khoan; giảm năng lƣợng phá huỷ đá bằng
cách sử dụng cấu trúc mũi khoan hợp lý và chế độ công nghệ khoan
phù hợp với tính chất cơ lý đá; giảm diện tích tiết diện đáy lỗ khoan
bằng cách khoan các lỗ khoan đƣờng kính nhỏ.

mũi khoan. Trong cùng một loại đá, cùng loại mũi khoan khi rửa
bằng dung dịch sét, hệ số
3,05,0 k
; khi rửa bằng nƣớc lã
2,035,0 k
;
23,017,0 

; hệ số đặc trƣng cho sự thay đổi
diện tích tiếp xúc của các hạt cắt trong mũi khoan với đá;
t
S
- diện
tích của các hạt cắt trong mũi khoan, cm
2
; 
đ
- ứng suất kháng nén
của đá, N/cm
2
.
Tốc độ vòng lựa chọn theo công thức thực nghiệm của O. V.
Ivanov [33] nhƣ sau:

D
).P0038,064,3(91,1
n
s



Bảng 3.1. Các thông số chế độ khoan xoay - đập
Loại đá
P
0
, N
n, v/ph
Q, l/ph
n
đ
,
lần/ph
Bột kết hạt nhỏ mịn, cấp
VI-VII theo độ khoan,
3000-
5000
200-
250
40-50
800-
900
Bột kết, cát kết hạt nhỏ
mịn,ít mài mòn, cấp VIII-
IX theo độ khoan,
7000-
9000
200-
300
40-50
1000-
1200

24
0
5
10
15
20
25
30
35
40
%
40
20
13
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
%
Ảnh hưởng của tải tr ọng chi ều tr ục
Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay
Ảnh hưởng của l ưu l ượng nước r ửa
4.2. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm ảnh hƣởng của các yếu tố
chế độ công nghệ khoan ngang tới tốc độ cơ học khoan

4.3. Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay -
đập hợp lý 18
19
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
80 120 160 200
Tốc độ vòng quay, v/ph
Tốc độ cơ học, m/h
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m
1.
2.
3.
4.
5.

Hình 4.21. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan
xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 2000-3000MPa
khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N
1. V
m
khi khoan xoay thuần túy; 2. E khi khoan xoay thuần túy; 3. V
m
khi n
đ
=1000lần/ph;
4. E khi n
đ
=1000lần/ph; 5. V
m
khi n
đ
=1200lần/ph; 6. E khi n
đ
=1200lần/ph. 20 21
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00

2,00
2,50
Năng lượng phá hủy đá, kW.h/m
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Hình 4.22. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan
xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa
khi tải trọng chiều trục Po = 9000N
Hình 4.23. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan
xoay - đập trong đá có độ cứng Ps = 5000-7000MPa
khi tải trọng chiều trục Po = 11.000N
1. V
m
khi khoan xoay thuần túy; 2. E khi khoan xoay thuần túy; 3. V
m
khi n
đ
=1000lần/ph;
4. E khi n
đ
=1000lần/ph; 5. V
m
khi n
đ
=1200lần/ph; 6. E khi n
đ

160-180
900-
1100
50-60
Đá cát kết hạt nhỏ
mịn cấp IX- X,
P
s
= 5000 -7000
MPa
9-11
160-200
1000-
1200
50-60
4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức
-80
Theo kết quả quan trắc hàm lƣợng khí Mêtan xuất hiện ở luồng
gió thải lò chợ vỉa 9Đ trƣớc khi tháo khí cao nhất là 1,62%, trung
bình 0,73%; thấp nhất 0,54% và thƣờng xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá
ngƣỡng cảnh báo, ngắt điện. Sau khi tháo khí bằng các lỗ khoan
ngang, hàm lƣợng khí Mêtan cao nhất là 0,9 % (giảm gần 50% so
với hàm lƣợng khí Mêtan cao nhất khi chƣa tháo khí), trung bình là
0,66% và thấp nhất là 0,50%. Hàm lƣợng khí Mêtan tƣơng đối ổn
định, ít xẩy ra hiện tƣợng vƣợt quá ngƣỡng cảnh báo (CH
4
=1%),
không có trƣờng hợp vƣợt quá ngƣỡng cắt điện (CH
4
= 1,3%). Vì

iu kin khai thỏc m v nhu cu thỏo khớ hin ti m Mo Khờ.
Kt qu nghiờn cu th nghim trong iu kin thc t m
Mo Khờ cho thy tc c hc khi khoan cỏc l khoan ngang thỏo 24
khí bằng thiết bÞ khoan xoay - ®Ëp RPD-130SL-F2W và bộ ống luồn
PS-89 tăng trung bình từ 1,45 đến 1,7 lần và năng lƣợng phá hủy đá
giảm trung bình từ 70% đến 51% so với khoan xoay trong cùng một
điều kiện đất đá, cùng chế độ khoan nhƣng không sử dụng tần số đập
của cơ cấu đập.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thử nghiệm trong điều kiện thực
tế, tác giả đã lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý
bằng thiết bị khoan xoay- đập RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn
PS-89 để khoan các lỗ khoan ngang tháo khí trong điều kiện mỏ Mạo
Khê nhƣ sau: tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan nằm trong
khoảng P
o
= 9000N - 11000N; tốc độ quay cột cần khoan n =
170v/ph - 190v/ph; lƣu lƣợng nƣớc rửa Q = 50 - 60l/ph; tần số đập n
đ

= 1000 - 1200lần/ph, khi khoan đá cát kết, đồng nhất, hạt nhỏ mịn
cấp VIII-IX, P
s
= 5000 -7000MPa và khi khoan trong đá bột kết đồng
nhất cấp VII-VIII , P
s
= 2000 -3000MPa, tải trọng chiều trục P
o

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
1. Phan Xuân Dƣơng, Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân
(2004), Nghiên cứu áp dụng Công nghệ khoan tháo khí nhằm
nâng cao hiệu quả an toàn ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh,
Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 16, Hà Nội,
tr.220-227.
2. Phan Xuân Dƣơng, Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân
(2008), Công nghệ khoan các giếng đường kính lớn mở vỉa khí
hóa than ngầm, Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần
thứ 18, Hà Nội, tr.74-78.
3. Trần Đình Kiên, Nguyễn Trần Tuân (2009), Một số vấn đề lựa
chọn phương pháp khoan các lỗ khoan thu hồi khí Mêtan ở các
mỏ than khai thác hầm lò, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ
toàn quốc lần thứ XX, Vũng Tàu, tr.182-186.
4. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trần Tuân (2004), Nghiên cứu công
nghệ khoan tháo khí nhằm thu hồi khí Mêtan và ngăn ngừa