BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐẶNG THỊ BÌNH
NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN
(CH4) TRONG CÁC HẦM LÒ KHAI THÁC THAN Ở VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT
Hà Nội - Năm 2014
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn
của PGS.TS Trần Gia Mỹ. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng
đƣợc công bố trong công trình nào.
Tác giả luận văn
Đặng Thị Bình
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................................2
MỤC LỤC
3
3.3.1. Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan trên thế giới ..............................40
3.3.2. Tình hình phòng chống cháy nổ khí mêtan ở Việt Nam ...............................44
Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................................49
CHƢƠNG 4. MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÒNG CHÁY NỔ KHÍ MÊTAN
TRONG CÁC HẦM LÒ Ở MỎ THAN MẠO KHÊ ..........................51
4.1. Đánh giá tiềm năng thoát khí mêtan tại mỏ than Mạo Khê .......................................51
4.1.1. Những yếu tố ảnh hƣởng đến độ chứa khí và khả năng thoát khí ................51
4.1.2. Đánh giá độ chứa khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê ........................................53
4.1.3. Đánh giá độ thoát khí mêtan ở mỏ than Mạo Khê ........................................56
4.2. Các giải pháp phòng cháy nổ khí mêtan ................................................................... 57
4.2.1. Hệ thống đo cảnh báo nguy hiểm về khí mêtan ............................................57
4.2.2. Các thiết bị phòng cháy nổ khí mêtan sử dụng trong hầm lò .......................61
4.2.3. Cảnh báo mối nguy hiểm về khí mêtan nhờ giải pháp khoan tiến gƣơng ....70
4.3. Một số phƣơng án nâng cấp, hoàn thiện các giải pháp đang áp dụng tại mỏ than Mạo Khê....71
4.3.1. Những tồn tại trong quá trình hoạt động của hệ thống giám sát khí mỏ ......71
4.3.2. Một số giải pháp nâng cao hiệu quả hệ thống giám sát khí mỏ ....................72
4.3.3. Nâng cấp, hoàn thiện giải pháp khoan tiến gƣơng thăm dò và khoan tháo khí mêtan.....72
4.3.4. Cải thiện phƣơng pháp đo bằng thiết bị đo khí mêtan cầm tay ....................76
Kết luận chƣơng 4 .............................................................................................................77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................81
PHỤ LỤC
.................................................................................................................81
4
Hình 5. Vận tốc cháy của hỗn hợp mêtan – không khí. ..........................................................21
Hình 6. Khoảng cách tắt của mêtan ......................................................................................22
Hình 7. Giới hạn cháy nổ của khí mêtan theo nhiệt độ. ..........................................................23
Hình 8. Tác động của nhiệt độ đến giới hạn cháy dƣới của mêtan trong không khí tại áp
suất khí quyển. ...........................................................................................24
Hình 9. Áp suất nổ và thời gian tăng áp của khí mêtan theo thời gian. ....................................24
Hình 10. Độ khốc liệt của vụ nổ mêtan phụ thuộc vào vị trí châm mồi ...................................25
Hình 11. Độ khốc liệt của mêtan phụ thuộc vào thể tích theo định luật khối lập phƣơng..........26
Hình 12. Giới hạn bắt lửa của mêtan ....................................................................................27
Hình 13. Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan – không khí ở 260C và áp suất khí quyển ........27
Hình 14. Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp mêtan - khí trơ - không khí ở 250C và áp suất khí quyển ....28
Hình 15. Mƣời nƣớc khai thác than nhiều nhất thế giới năm 2009..........................................33
Hình 16. Mƣời nƣớc tiêu thụ than nhiều nhất thế giới năm 2009. ...........................................34
Hình 17. Cung cầu than trên thế giới phân theo châu lục. ......................................................35
Hình 18. Sản lƣợng khai thác than của Việt Nam giai đoạn 1990 - 2008 ................................37
Hình 19. Thay đổi lịch sử trong “các tai nạn nổ khí” tại Nhật Bản..........................................44
Hình 20. Số lƣợng các mẫu than, khí đƣợc phân tích. ............................................................47
Hình 21. Số lƣợng các thiết bị đƣợc kiểm định giai đoạn 2007- 2012. ....................................47
Hình 22. Tƣơng quan giữa số vụ tai nạn, số ngƣời chết do cháy nổ khí mêtan với sản lƣợng
khai thác than hầm lò giai đoạn 2000 2012 ...............................................48
Hình 23. Sơ đồ hệ thống giám sát khí mỏ tập trung của Nhật Bản. .........................................59
Hình 24. Trung tâm theo dõi khí mỏ của Công ty Than Mạo Khê. .........................................60
Hình 25. Cấu tạo bộ phận quang học. ...................................................................................61
Hình 26. Cấu tạo vỏ máy của máy đo khí quang học CJG-10. ...............................................62
6
Hình 27. Hình ảnh giao thoa ánh sáng trên bề mặt kính phẳng. ..............................................63
Hình 28. Mặt trƣớc và mặt sau của thiết bị VIELINA – ĐCT.01 ...........................................65
quyết định đến việc lựa chọn mô hình khai thác mỏ, mô hình hệ thống thông gió, chọn
quạt và phƣơng pháp mở vỉa chuẩn bị.
Vì những lý do trên, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu các giải pháp phòng cháy
nổ khí mêtan (CH4) trong các hầm lò khai thác than ở Việt Nam”.
b. Lịch sử nghiên cứu
Mức độ nguy hiểm về khí mêtan góp phần quyết định phƣơng thức khai thác than,
thiết bị khai thác than và sản lƣợng than khai thác nên vấn đề nghiên cứu các giải pháp
phòng cháy nổ khí mêtan luôn đƣợc ngành than Việt Nam và ngành than thế giới quan
tâm, tìm ra những giải pháp nhằm giảm thiểu tai nạn lao động do cháy nổ khí mêtan
gây ra. Ngành than Việt Nam cũng không ngừng phát triển lĩnh vực nghiên cứu về an
toàn trong khai thác than và đƣa ra các giải pháp an toàn cho khai thác than hầm lò,
điển hình là thông tƣ số 03/2011/TT-BCT do Bộ Công thƣơng ban hành Quy chuẩn Kỹ
thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò. Đồng thời ngành than Việt Nam
còn không ngừng đầu tƣ trang thiết bị, chuyển giao công nghệ với Ba Lan, Nhật Bản về
hệ thống giám sát khí mỏ, hệ thống trang thiết bị xác định độ chứa khí và độ thoát khí
mêtan để bƣớc đầu phân loại mỏ theo độ nguy hiểm về khí mêtan, cảnh báo khí mêtan.
c. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
* Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu các giải pháp phòng ngừa cháy nổ khí mêtan
(CH4) trong các hầm lò khai thác than ở Việt Nam đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị.
* Đối tượng nghiên cứu: Khí mêtan trong các hầm lò than.
8
* Phạm vi nghiên cứu: An toàn cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than
nói chung và thuộc mỏ than Mạo Khê nói riêng.
d. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu, luận văn thực hiện giải quyết các vấn đề dựa
trên những luận điểm sau:
+ Tìm hiểu thực trạng về cháy nổ khí mêtan trong các hầm lò khai thác than.
Công nghệ Năng lƣợng Mỹ, các nguồn sinh khí mêtan đƣợc đánh giá bởi biểu đồ tròn
trên hình 1.
Hình 1. Các nguồn sinh khí mêtan trên Trái đất [12].
Nguồn sinh khí mêtan từ thiên nhiên do quá trình phân hủy vật chất hữu cơ ở các
vùng đất ngập nƣớc, đầm lầy. Quá trình canh tác lúa nƣớc cũng là một trong những
nguyên nhân gây phát thải khí mêtan. Diện tích đất ngập nƣớc ở nhiệt độ nóng ẩm là
điều kiện tối ƣu cho sự sản sinh khí mêtan thông qua quá trình phân hủy kị khí. Cƣờng
độ phát thải khí mêtan cao nhất vào 9 tuần sau khi cấy (thời kỳ đẻ nhánh rộ), tốc độ
phát thải giảm dần đến cuối vụ. Mùa khô lƣợng khí mêtan thải ra ít hơn mùa mƣa do
chế độ nƣớc ít ngập hơn. Cƣờng độ phát thải khí mêtan ở các vùng đất là khác nhau,
10
phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, độ sâu, thời gian canh tác và phụ thuộc vào tính chất
của đất (hàm lƣợng Mn, chất hữu cơ có trong đất và nồng độ pH) [12].
Ngoài ra, một nguồn khí mêtan khổng lồ khác cũng đƣợc hình thành từ việc phân
hủy vật chất hữu cơ trong trầm tích đại dƣơng, tồn tại dƣới dạng methane hydrate
(băng mêtan). Methane hydrate là thành phần phổ biến của đại quyển biển nông, và
chúng hiện diện cả trong các cấu trúc trầm tích sâu, và lộ ra trên đáy đại dƣơng.
Methane hydrate đƣợc giả thiết là do sự di cƣ của khí từ dƣới sâu đại dƣơng dọc theo
các đứt gãy địa chất, tiếp theo là sự kết tủa hay kết tinh khi các dòng khí trồi lên tiếp
xúc với nƣớc biển lạnh. Methane hydrate cũng có mặt trong lõi băng sâu ở Nam Cực.
Ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, mêtan đƣợc giữ ổn định dƣới đáy đại dƣơng, nơi độ sâu
của nƣớc từ 300m đến 500m. Tuy nhiên, sự nóng lên toàn cầu bởi hiệu ứng nhà kính
tạo nguy cơ tan chảy băng mêtan dƣới đáy biển. Mặt khác, sự di chuyển của các khối
lục địa và quá trình nâng cao thềm kiến tạo sẽ làm giảm áp suất dƣới đáy biển và có thể
gây ra việc phát thải khí mêtan với quy mô lớn [12]. Hình 2 mô tả quá trình di chuyển
của khí mêtan đông lạnh tích tụ sát đáy biển đến khí quyển:
- Hình thức 3: Hiện tƣợng phụt khí, thƣờng kèm theo phụt than (đây là hình thức
nguy hiểm nhất).
Trong các hầm lò khai thác than, do khối lƣợng riêng của khí mêtan (ρk =
0,717kg/m3) thấp hơn không khí (ρkk = 1,29kg/m3) nên chúng thƣờng tích tụ ở trên nóc
lò hoặc những khoảng trống không đƣợc thông gió.
12
1.2. Tính chất vật lý của mêtan
- Mêtan còn có tên gọi khác là khí đầm lầy hay khí bùn
- Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị.
- Mêtan nguyên chất không mùi, nhƣng trong công nghiệp, nó thƣờng đƣợc trộn
với một lƣợng nhỏ các hợp chất chứa lƣu huỳnh có mùi mạnh nhƣ etyl mecaptan để dễ
phát hiện trong trƣờng hợp bị rò rỉ.
- Nhiệt cháy của mêtan: Nhiệt cháy là thông số đơn quan trọng quyết định tiềm
năng nổ của bất kỳ hóa chất nào và nó chỉ phụ thuộc vào thành phần của chất phản
ứng. Đây là lƣợng nhiệt đƣợc giải phóng trong quá trình phản ứng hóa học và có vai trò
nhƣ một nguồn năng lƣợng để sinh ra công phá hủy của một vụ nổ.
Nhiệt cháy của mêtan là 0,8826 MJ/mol = 55,164 MJ/mol (ở điều kiện áp suất là
1at và nhiệt độ là 298K)
Một số tính chất vật lý cơ bản của mêtan đƣợc giới thiệu ở bảng 1.
Bảng 1. Một số tính chất vật lý của mêtan
Bề ngoài
Khí trong suốt, lửa màu xanh da trời
Khối lƣợng riêng(ở ĐKTC)
0,717 kg/m3
(1): NFPA 704 là một tiêu chuẩn được Hiệp hội phòng cháy quốc gia Hoa Kỳ đưa ra. NFPA 704
được đánh giá qua "hình thoi cháy",
và được các nhân viên của bộ phận tình trạng khẩn cấp Hoa
Kỳ sử dụng để nhanh chóng và dễ dàng xác định các rủi ro gây ra bởi các hóa chất nguy hiểm. Tiêu
chuẩn này là cần thiết để xác định các phương tiện, thiết bị và thủ tục cần thiết phải thực hiện để giảm
thiểu những rủi ro gây ra bởi hóa chất đó. Hình thoi được chia thành 4 phần với 4 màu mang ý nghĩa
tượng trưng: màu xanh lam dùng để chỉ các nguy hiểm đối với sức khỏe, màu đỏ dùng để chỉ khả
năng cháy, màu vàng dùng để chỉ khả năng phản ứng hóa học, và màu trắng chứa các mã đặc biệt cho
các nguy hiểm lạ thường. Tất cả các khả năng gây nguy hiểm cho sức khỏe, khả năng cháy và phản
ứng hóa học được đánh giá theo thang độ từ 0 (không nguy hiểm; chất thông thường) tới 4 (cực kỳ
nguy hiểm).
1.3. Tính chất hóa học của mêtan
Mêtan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng
đẳng ankan. Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất, là đại diện đơn giản nhất của nhóm
ankan (hydrocacbon bão hòa)
Cấu trúc phân tử khí mêtan thể hiện trên hình 3: nguyên tử cacbon ở vị trí trung
tâm, có 4 cặp điện tử C-H đƣợc liên kết cứng (liên kết chặt chẽ với nhau) và giống
nhau, với chiều dài liên kết bằng 0,1095nm; góc liên kết H-C-H là 1090 28’
Hình 3. Cấu trúc phân tử mêtan.
14
* Phản ứng cháy
Cách sản suất
Từ nhôm cacbua Al4C3
Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4↑
Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4↑
Từ CH3-COONa (phản ứng vôi tôi xút)
CH3-COONa + NaOH → Na2CO3 + CH4↑
Phản ứng trực tiếp có xúc tác niken (hiệu suất rất thấp)
C + 2H2 → CH4
(phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao và có chất xúc tác thích hợp, khi đó C
dạng mịn có thể phản ứng với H2, phƣơng pháp này gọi là phƣơng pháp Bergius –
Verfahren).
Từ CO:
CO + 3H2 → H2O + CH4↑
Từ đƣờng glucose (C6H12O6): C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
Phản ứng đồng thể hình thành khí mêtan:
CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O (hơi)
* Quá trình phân huỷ
Cơ chế phá hủy chính của mêtan trong khí quyển là qua tác dụng với gốc
hydroxyl (.OH):
CH4 + ·OH → ·CH3 + H2O
Phản ứng này diễn ra ở tầng đối lƣu làm cho mêtan tồn tại khoảng 9,6 năm [10].
Kết luận chƣơng 1
Mêtan là khí có nguồn gốc hình thành rất phong phú, chủ yếu từ quá trình phân
hủy kị khí của các vật chất hữu cơ dƣới nhiều hình thức khác nhau. Mêtan là khí có ảnh
hƣởng rất lớn đến hệ sinh thái của trái đất, là một trong những tác nhân gây hiệu ứng
16
CH3 + H2 (khi dƣ nhiên liệu)
(3)
CH4 + O
CH3 + OH (chậm)
Các phản ứng formaldehyd:
(4)
CH3 + O2
H2CO +OH (qua H3COO)
(5)
H2CO +OH
HCO + H2O
(6)
HCO + OH
CO + H2O
(7)
Phản ứng dây chuyền:
(12)
H2 + OH
H + H2 O
Phản ứng tái hợp:
(13)
H+H+M
H2 + M (khi dƣ mêtan)
(14)
O+O+M
O2 + M
18
(15)
H+O+M
OH + M
Kết thúc:
(16)
Nhiệt độ bắt lửa là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hỗn hợp bắt đầu cháy đƣợc.
Nhiệt độ bắt lửa của khí mêtan (với n = 1 ở áp suất khí quyển) là 6100C (giá trị
này đƣợc xác định bằng thực nghiệm) [3].
Quá trình tự bắt lửa của mêtan phụ thuộc vào:
- Thành phần hỗn hợp;
- Năng lƣợng của nguồn kích thích;
19
d, Năng lượng bắt lửa tối thiểu
Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu là nguồn năng lƣợng kích thích thấp nhất mà ở đó
xảy ra sự bắt lửa.
Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của mêtan đƣợc Lewis và v.Elbe xác định bằng thực
nghiệm (kích thích cháy bằng tia lửa điện), thể hiện trên hình 4.
Hình 4. Năng lƣợng bắt lửa tối thiểu của hỗn hợp mêtan – không khí [3].
Hỗn hợp mêtan – không khí có năng lƣợng bắt lửa tối thiểu nhỏ nhất bằng 2 kJ
khi tỉ lệ mêtan trong hỗn hợp bằng 20% và
. (Chỉ cần nguồn năng lƣợng kích
thích 2 kJ thì hỗn hợp gồm 20% mêtan, 80% oxy sẽ bắt lửa).
e, Vận tốc cháy
Vận tốc cháy là vận tốc lan truyền của ngọn lửa trong không gian chứa hỗn hợp
khí cháy, ngọn lửa từ nguồn kích thích lan truyền dần ra xung quanh đến hết không
gian chứa hỗn hợp khí cháy.
20
khí đốt giao động mạnh (hoặc khi có hỗn hợp nhiều loại khí chất lƣợng khác nhau)
chúng ta dùng một chỉ tiêu có tính tổng hợp là chỉ số Wobbe W:
- Chỉ số Wobbe thấp:
√
22
- Chỉ số Wobbe cao:
√
Trong đó (theo [3] trang 29):
+ Nhiệt trị thấp của CH4 là Hu = 35 880 kJ/m3
+ Nhiệt trị cao của CH4là H0 = 39 815 kJ/m3
+ Khối lƣợng riêng tƣơng đối của CH4 là
Biết:
ρk là khối lƣợng riêng của khí CH4 ở ĐKTC; ρk = 0,717 kg/m3
ρkk là khối lƣợng riêng của không khí ở ĐKTC; ρkk = 1,29 kg/m3.
Vậy mêtan có:
√
kJ/m3
√
√
kJ/m3
√
khốc liệt bằng tỉ lệ giữa độ tăng áp suất với thời gian tăng áp ( )
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ khốc liệt là vị trí châm mồi, loại khí cháy và thể tích
của không gian diễn ra vụ nổ.
Dƣới đây ta xem xét ảnh hƣởng của những yếu tố trên.
Độ khốc liệt và áp suất nổ đạt lớn nhất khi châm mồi ở tâm của bình (không gian
khí cháy). Ngƣợc lại, khi dịch điểm châm mồi về thành bình thì độ khốc liệt giảm và áp
suất nổ cũng giảm. Điều này đƣợc thể hiện trên hình 10.
Hình 10. Độ khốc liệt của vụ nổ mêtan phụ thuộc vào vị trí châm mồi [6]
Độ khốc liệt của các khí khác nhau thì rất khác nhau, ngay cả khi nổ trong cùng
một điều kiện về tỉ lệ và nguồn nhiệt.
So sánh giữa khí CH4 và khí H2 :
- Áp suất cháy nổ của khí CH4 và khí H2 là xấp xỉ nhau.
- Thời gian tăng áp của khí CH4 lớn hơn so với khí H2.
- Độ khốc liệt của khí CH4 nhỏ hơn so với khí H2
Độ khốc liệt phụ thuộc vào thể tích. Điều này tuân theo định luật khối lập
phƣơng, định luật này đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
25
Copyright: Tài liệu đại học ©