Luận án Nghiên cứu hoàn thiện một số thông số công nghệ khai thác lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than ở vỉa dày, dốc thoải và nghiêng tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NÔNG VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LÒ CHỢ CƠ GIỚI HÓA ĐỒNG BỘ HẠ TRẦN THAN Ở VỈA DÀY, DỐC THOẢI VÀ NGHIÊNG TẠI CÁC MỎ HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9520603 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Khai thác Hầm lò Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Đặng Vũ Chí, Trường Đại học Mỏ-Địa chất 2. PGS. TS Phùng Mạnh Đắc, Hội KHCN Mỏ Việt Nam Phản biện 1: PGS. TS. Trần Văn Thanh, Trường Đại học Mỏ-Địa chất Phản biện 2: TS. Trương Đức Dư , Hội KHCN Mỏ Việt Nam Phản biện 3: TS. Trần Minh Nguyên, Công ty CP Tư vấn đầu tư và Xây dựng mỏ Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi vào hồi 8h30 ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, tổng sản lượng khai thác than tại các mỏ phấn đấu đến năm 2025 đạt trên 80 triệu tấn. Thực tế hiện nay, các mỏ than hầm lò đang khai thác trong điều kiện địa chất phức tạp, biến động lớn về chiều dày và góc dốc, nhiều phay phá kiến tạo và hầu hết các mỏ đang có xu hướng khai thác xuống sâu. Do đó, việc tăng sản lượng và khả năng cơ giới hóa đồng bộ ở các mỏ rất khó khăn. Trong điều kiện địa chất kỹ thuật các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh rất phức tạp nên đòi hỏi phải có những nghiên cứu, đánh giá cụ thể trong việc lựa chọn thông số kỹ thuật và thiết bị khai thác cơ giới hóa phù hợp. Do đó, nội dung nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học, thực tiễn quan trọng và cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ hợp lý đối với lò chợ cơ giới hoá đồng bộ hạ trần thu hồi than ở vỉa dày thoải và nghiêng tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhằm nâng cao mức độ an toàn lao động và hiệu quả khai thác. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: thông số công nghệ trong lò chợ cơ giới hóa đồng bộ, hạ trần thu hồi than nóc (chiều cao lớp than hạ trần, bước thu hồi than hạ trần). - Phạm vi nghiên cứu: các vỉa than có chiều dày trên 6m và góc dốc nhỏ hơn 350 thuộc các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 4. Nội dung nghiên cứu a) Tổng quan về kinh nghiệm khai thác lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ ở các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng trong nước và trên thế giới. b) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất - kỹ thuật mỏ đến quá trình thu hồi than nóc. c) Hoàn thiện một số thông số công nghệ khai thác lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần thu hồi than nóc ở các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng vùng Quảng Ninh. d) Xác định thông số công nghệ khai thác lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than ở vỉa dày, dốc thoải và nghiêng tại một điều kiện cụ thể. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tổng hợp: phân tích lý thuyết kết hợp với mô 2 hình phân tích số bằng việc sử dụng phần mềm số PHASE 2, nghiên cứu đo đạc kết quả tại hiện trường ở mỏ than Hà Lầm. 6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài a) Luận án góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu, xác định thông số công nghệ khai thác hợp lý khi lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần thu hồi than nóc ở các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng. b) Kết quả nghiên cứu của luận án có đóng góp vào chương trình xây dựng hướng phát triển công nghệ cơ giới hóa khai thác tại các mỏ than hầm lò Việt Nam, giải quyết những khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả, an toàn sản xuất. 7. Điểm mới của luận án a) Xác định được miền áp dụng bước thu hồi than hạ trần hợp lý ở lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ tại các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng. b) Xác định được miền áp dụng tỷ lệ khấu - hạ trần hợp lý ở lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ tại các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng. 8. Những luận điểm để bảo vệ a) Trong lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ, thực tiễn cho thấy khi chiều dày vỉa nhỏ hơn 13m thì việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng với bước khấu gương (rth = r) sẽ cho hiệu quả tốt. Ngược lại, khi chiều dày vỉa lớn hơn 13m thì việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng 2 lần bước khấu gương (rth = 2r) mới mang lại hiệu quả. b) Trong lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ, khi tỷ lệ khấu-hạ trần theo thực nghiệm có tỉ lệ tương quan 1:2,5 thì khả năng thu hồi than hạ trần đạt được giá trị tối ưu. Khả năng thu hồi than cao nhất là khi tỷ lệ khấu-hạ trần lý tưởng 1:2,5. 9. Cấu trúc của luận án Luận án được kết cấu gồm: phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị, được trình bày trong 111 trang đánh máy khổ A4 210x217 mm với 42 bảng biểu, 77 hình vẽ và biểu đồ. 10. Các công trình khoa học liên quan đến luận văn đã công bố Tác giả luận án đã công bố 05 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, 03 báo cáo tại các hội nghị khoa học và 01 công trình nghiên cứu tại các hội đồng khoa học các cấp. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN KINH NGHIỆM KHAI THÁC LÒ CHỢ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA ĐỒNG BỘ Ở CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÀ NGHIÊNG TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. Kinh nghiệm khai thác vỉa dày, dốc thoải và nghiêng trong nước 1.1.1. Khái quát chung về trữ lượng than vùng Quảng Ninh Bể than Quảng Ninh có diện tích khoảng 1.400km2, gồm ba khu vực: Cẩm Phả, Hòn Gai, Uông Bí. Than thuộc loại Antraxít, có chất lượng tốt. Theo kết quả đánh giá, tính đến tháng 01/2015 trữ lượng than tại một số mỏ hầm lò lớn vùng Quảng Ninh ước tính còn lại được liệt kê như trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Trữ lượng than tại các mỏ hầm lò lớn vùng Quảng Ninh [1]. TT Tên mỏ Trữ lượng toàn mỏ, 1000 tấn Trữ lượng vỉa dày, dốc thoải đến nghiêng, 1000 tấn Tỷ lệ % 1 Mạo Khê 74.909 2.789 3,7 2 Nam Mẫu 43.543 22.921 52,6 3 Uông Bí 38.741 0 0,0 4 Vàng Danh 43.666 26.967 61,8 5 Hà Lầm 50.973 49.364 96,8 6 Núi Béo 64.474 51.777 80,3 7 Dương Huy 59.076 9.773 16,5 8 Quang Hanh 25.157 2.786 11,1 9 Thống Nhất 37.422 17.679 47,2 10 Hạ Long 94.666 64.834 68,5 11 Khe Chàm 72.935 23.482 32,2 12 Mông Dương 25.083 7.708 30,7 Tổng cộng 630.645 280.080 44,4 1.1.2. Kinh nghiệm áp dụng công nghệ CGH đồng bộ, lò chợ sử dụng máy khấu kết hợp với giàn chống có kết cấu thu hồi 01 máng cào 1. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng Công nghệ CGH đồng bộ hạ trần thu hồi than nóc đã được triển khai tại lò chợ II-8-2 khu giếng Vàng Danh từ tháng 01/2008 ÷ 12/2013 theo hai giai đoạn, trong đó: - Giai đoạn I (từ ngày 01/12/2007÷ 27/3/2008): lò chợ có chiều dài 45m, chiều dài theo phương khu khai thác 30m; chống giữ lò chợ bằng 30 giàn chống tự hành Vinaalta, khấu than bằng máy MG-200W1, vận tải bằng máng cào SGB-620/110x2 sản xuất tại Trung Quốc cùng các thiết bị đi kèm được tiếp nhận từ Công ty than Khe Chàm. Sản lượng khai thác được 4 của giai đoạn I là 21.341 tấn với một số thông số công nghệ chính như chiều cao khấu gương 2,5m, chiều dày lớp than hạ trần trung bình 5,0m và bước thu hồi than hạ trần là 0,63m. - Giai đoạn II (từ 16/6/2008 - 12/2013): lò chợ có chiều dài 120m, chống giữ bằng 80 giàn chống Vinaalta, khấu than bằng máy MB-450E, vận tải bằng máng cào DSS-260/2x90 và đồng bộ thiết bị đi kèm. Một số thông số công nghệ chính giai đoạn này là: chiều cao khấu gương 2,8m, chiều dày lớp than hạ trần trung bình 4,7m và bước thu hồi than hạ trần là 0,8m. Từ kinh nghiệm tại Công ty than Vàng Danh, tháng 8/2010công nghệ cơ giới hóa sử dụng giàn thu hồi 01 máng cào tiếp tục được triển khai tại Công ty than Nam Mẫu với một số thông số công nghệ chính như chiều cao khấu gương 2,8m, chiều dày lớp than hạ trần trung bình 3,9m và bước thu hồi than hạ trần là 0,8m. Tổng thời gian áp dụng 59 tháng, trong đó 49 tháng lò chợ hoạt động, 10 tháng lò chợ chuyển diện và tháo chuyển thiết bị. Công nghệ đã được triển khai tại 04 lò chợ (03 lò chợ tại vỉa 6 và 01 lò chợ tại vỉa 5), tổng sản lượng khai thác được là 665.336 tấn. 2. Đánh giá kết quả áp dụng Kết quả áp dụng lò chợ cơ giới hóa hạ trần tại mỏ Vàng Danh như sau: sản lượng khai thác đạt từ 2.471 ÷ 24.640 tấn/tháng, trung bình 12.139 tấn/tháng; công suất lò chợ đạt từ 128.596 ÷ 163.476 tấn/nămm, trung bình 145.673 tấn/năm; NSLĐ đạt từ 3,6 ÷ 10,8 tấn/công, trung bình 9,5 tấn/công. Tại mỏ Nam Mẫu sản lượng khai thác đạt từ 1.274 ÷ 36.540 tấn/tháng, trung bình 11.847 tấn/tháng; công suất lò chợ đạt từ 64.114 ÷ 204.201tấn/năm, trung bình 142.486tấn/năm; NSLĐ đạt từ 3,1 ÷ 11,3 tấn/công, trung bình 7,2 tấn/công. Tỷ lệ tổn thất tại các lò chợ cơ giới hóa hạ trần sử dụng giàn thu hồi 01 máng cào tại Công ty than Vàng Danh từ 15 ÷ 20%, tại Công ty than Nam Mẫu là 22,3  31,9%, tương ứng với tỷ lệ thu hồi than từ 68,1÷ 85,0, trung bình 76,6%. Giá trị này tương đương với tỷ lệ thu hồi của các lò chợ giá khung, giá xích hạ trần trong cùng điều kiện. Như vậy, có thể nói rằng bước đầu áp dụng thử nghiệm tại các lò chợ trên đã chưa đạt được hiệu quả như thiết kế. Điều đó chứng tỏ các yếu tố về địa chất, kích thước ruộng mỏ đã ảnh hưởng đến quá trình khai thác. Ngoài ra, yếu tố về thiết bị cũng ảnh hưởng rất lớn, việc làm chủ và thay thế thiết bị chưa cao dẫn tới ách tắc sản xuất. Cơ cấu thu hồi than nóc của thiết bị chưa thật sự phù hợp và tác động trực tiếp nên việc xác định thông số kỹ thuật của lò chợ. 5 1.1.3. Kinh nghiệm áp dụng công nghệ CGH đồng bộ, lò chợ sử dụng máy khấu kết hợp với giàn chống thu hồi 02 máng cào 1. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng *Dây chuyền 1: Dây chuyền cơ giới hóa đầu tiên được triển khai lắp đặt tại lò chợ 11-1.14 vỉa 11.1 từ tháng 01  3/2015 dưới sự hướng dẫn của các chuyên gia Trung Quốc với công suất thiết kế 600.000 tấn/năm. Đặc điểm điều kiện địa chấtvỉa than khu vực lò chợ như sau: chiều dày vỉa trung bình 6,8m, góc dốc vỉa trung bình 190, chiều dài lò chợ theo hướng dốc 108m, theo phương 420m. Tổ hợp thiết bị gồm 67 giàn chống mã hiệu ZF4400/16/28, 06 giàn chống ngã ba lò đầu, lò chân, mỗi vị trí 03 giàn, mã hiệu ZFG 4800/18/28 kết hợp máy khấu dẫn động thủy lực MG150/375 - W, 02 máng cào SGZ630/264.Một số thông số công nghệ chính của lò chợ: chiều cao khấu gương 2,5m, chiều dày lớp than hạ trần trung bình 5,5m và bước thu hồi than hạ trần là 0,63m. *Dây chuyền 2: Trên cơ sở thành công của dây chuyền 1 tại lò chợ cơ giới hóa vỉa 11, tháng 10/2016 Công ty than Hà Lầm tiếp tục đưa vào áp dụng dây chuyền công nghệ cơ giới hóa đồng bộ thứ hai tại lò chợ 7-2 vỉa 7 với công suất thiết kế 1,2 triệu tấn/năm. Theo tài liệu địa chất, đặc điểm địa chất kỹ thuật khu vực lò chợ như sau: chiều dày vỉa than thay đổi từ 2,35 ÷ 30,24mtrung bình 18,56m. Góc dốc vỉa than thường 20 ÷ 250. Trong phạm vi diện khai thác đầu tiên có 11 lỗ khoan, thay đổi chiều dày vỉa 16,21 ÷ 28,12m, trung bình 18,9mm, góc dốc vỉa thường là 20 ÷ 250; chiều dài lò chợ 154m, chiều dài theo phương của lò chợ là 750m, chiều cao khấu gương 2,8m, chiều dày lớp than hạ trần trung bình 15,07m và bước thu hồi than hạ trần là 0,63m. 2. Đánh giá kết quả áp dụng Theo thống kê sản lượng tháng cao nhất đã đạt tới 83.946 tấn/tháng, năng suất lao động bình quân đạt tới 19,6 tấn/công. Kết quả này đạt được do: (1) điều kiện vỉa than khu vực đã khai thác của lò chợ thuộc loại thuận lợi về chiều dày đến 17,87m, góc dốc chủ yếu dưới 150; (2) công tác thu hồi ở máng cào sau đồng thời với quá trình khấu gương đã cho phép nâng cao được sản lượng lò chợ; (3) mỏ được xây dựng theo mô hình mỏ hiện đại với sản lượng chủ yếu từ cơ giới hóa (toàn mỏ có 04 lò chợ, trong đó 02 lò chợ cơ giới hóa chiếm 75% sản lượng năm), nên dây truyền vận tải được thiết kế liên tục, đơn giản và đồng bộ với sản lượng phải thông qua của lò chợ cơ giới hóa; (4) Các thiết bị mới được đầu tư nên không xảy ra các hỏng hóc nghiêm trọng phải dừng sản xuất lâu. Cũng theo thống kê, tỷ lệ thu hồi than của lò chợ cơ giới hóa theo báo cáo của Công ty than Hà Lầm đạt từ 65 ÷ 94,23%, trung bình 81,4% của lò 6 chợ cơ giới hóa vỉa 11 và với 86% của lò chợ cơ giới hóa vỉa 7. Đạt được điều này là do công tác thu hồi than được thực hiện độc lập bằng máng cào đặt trên nền lò phía phá hỏa, cho phép thu hồi tối đa than hạ trần, theo đó đã tăng được tỷ lệ thu hồi than sạch trong vỉa. Đây chính là lợi thế của máng cào sau thu hồi triệt để than hạ trấn. 1.2. Kinh nghiệm khai thác vỉa dày thoải đến nghiêng trên thế giới 1.2.1. Kinh nghiệm áp dụng sơ đồ và hệ thống khai thác chia lớp nghiêng theo vỉa (Hình 1.1). Hệ thống khai thác này đã được áp dụng tại các mỏ than ở nhiều ước trên thế giới như tại Cộng hòa Séc, Nam Tư, Nga,... Bản chất của sơ đồ công nghệ này là phân chia chiều dày vỉa ra thành nhiều lớp khai thác. Điển hình là tại các mỏ thuộc bể than Kuzbass (Nga) đã áp dụng 2 hệ thống khai thác: thu hồi than hạ trần và chia lớp nghiêng. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt 24.000 tấn/tháng, năng suất lao động 20 tấn/công-ca, tỷ lệ tổn thất 25%. Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống khai thác chia lớp nghiêng 1.2.2. Kinh nghiệm áp dụng hệ thống khai thác hạ trần thu hồi than nóc Bản chất của sơ đồ công nghệ này là thực hiện khấu lớp trụ và thu hồi than nóc. Trong hầu hết các trường hợp lớp than hạ trần sẽ tự sập đổ dưới tác động của áp lực mỏ. Nếu than bền vững không tự sập đổ người ta tiến hành phá sập cưỡng bức bằng khoan nổ mìn trong các lỗ khoan dài. Hình 1.21. Sơ đồ công nghệ khai thác hạ trần thu hồi than nóc Để thu hồi than giữa các lớp người ta áp dụng 2 giải pháp công nghệ: phương án sử dụng tổ hợp giàn chống một máng cào như KTU, KNKM của Nga, VHP-731 của Hungary hoặc loại giàn khác và phương án là sử dụng thêm một máng cào sau lò chợ (loại tổ hợp giàn chống 2 máng cào) ví dụ tổ hợp OKPV-70, KM-81V (Nga), ZFS (Trung Quốc) hoặc các loại khác. Phương án một máng cào gây bụi khi tháo than và mất an toàn khi làm 7 việc. Mặt khác không có cửa thu hồi sau giàn gây nên tổn thất thu hồi than hạ trần lớn. Phương án sử dụng hai máng cào cho hiệu quả thu hồi cao. Tuy nhiên điều này làm tăng đáng kể kích thước, trọng lượng của tổ hợp giàn chống và còn phải có thêm một máng cào sau làm phức tạp thêm kết cấu của tổ hợp cũng như quá trình sử dụng, gây quá tải lên thiết bị đặt nền lò vận tải. Sơ đồ công nghệ này đã được áp dụng tại nhiều mỏ than trên thế giới. Điển hình là tại mỏ Jinging N3 (Trung Quốc) đã khai thác vỉa dày tới 7m bằng lò chợ dài 290m tại độ sâu 700m và đã khai thác lớp dưới dày 3m, than hạ trần 4m. Than lớp trên tự phá hủy bởi áp lực mỏ và được tháo vào máng cào sau. Sản lượng khai thác lớn nhất đã đạt đến 15.000 tấn/ngày. 1.3. Kết luận Chương 1 Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, chương 1 luận án rút ra một số kết luận sau: (1) Ngày nay tại các mỏ hầm lò của Việt Nam cũng như tại các nước có nền công nghiệp khai thác than phát triển (Nga, Trung Quốc, Ba Lan, Nam Phi) khi khai thác các vỉa than dày trên 5 - 6 m thường sử dụng các công nghệ khai thác sau: + Phân chia vỉa thành các lớp nghiêng, tại mỗi lớp khai thác độc lập bằng hệ thống khai thác cột dài theo phương. Chiều dày mỗi lớp khấu từ 2,5 – 2,7 m, hoặc tới 5 - 6 m khi sử dụng các tổ hợp cơ giới (khấu một lần nếu không chia lớp). Phương pháp điều khiển đá vách là phá hỏa toàn phần. + Công nghệ khai thác hạ trần thu hồi than nóc; theo sơ đồ công nghệ này vỉa than sẽ được khấu một lớp bám trụ với chiều dày từ 2,5 – 3,5 m, chiều dày lớp than hạ trần từ 6 – 13 m. Cố một số trường hợp thu hồi than hạ trần đến 17 m. (2) Các kết quả phân tích kinh nghiệm khai thác vỉa dày thoải và nghiêng trên thế giới đã chỉ ra rằng khi chiều dày vỉa lớn hơn 10 – 12 m cần phải xem xét lựa chọn sơ đồ công nghệ cho phép giảm thiểu tổn thất khai thác. Trong trường hợp này tổn thất tăng thêm khi sử công nghệ chia lớp nghiêng và để lại trụ giữa các cột, còn khi sử dụng công nghệ khai thác lò chợ trụ hạ trần với một máng cào gương sẽ dẫn đến tổn thất lượng than lớn trên trụ vỉa trong không gian đã khai thác phía sau của lò chợ, đây chính là hạn chế tổ hợp giàn chống sử dụng một máng cào. (3) Trong điều kiện các vỉa dốc thoải và nghiêng, chiều dày vỉa trên 10 -12 m thì việc áp dụng hệ thống khai thác chia lớp nghiêng theo vỉa, khấu lớp vách- lớp trụ và hạ trần thu hồi than lớp giữa sử dụng tổ hợp giàn chống 2 máng cào độc lập có hiệu quả cao và nhiều lợi thế do chiều dày 8 lớp hạ trần nhỏ, giảm được tổn thất. Tuy nhiên, công tác chuẩn bị và khai thác phức tạp, chi phí lớn. Do đó, việc khai thác lò chợ hạ trần than nóc cần nghiên cứu áp dụng với việc trên cơ sở đánh giá ảnh hưởng của điều kiện địa chất - kỹ thuật và lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp nhằm tăng hiệu quả khai thác. (4) Có phương án xác định độ lớn hợp lý của góc trượt than hạ trần để giảm tổn thất trong quá trình thu hồi than nóc hoặc than lớp giữa trong mối quan hệ ảnh hưởng của đá vách - xuống khối than hạ trần, khối than hạ trần – với giàn chống và không gian khai thác trong lò trợ. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỊA CHẤT - KỸ THUẬT MỎ ĐẾN QUÁ TRÌNH THU HỒI THAN NÓC 2.1. Quy luật dịch chuyển của than nóc Theo nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dịch động do khai thác là căn nguyên phát sinh biểu hiện áp lực mỏ, biểu hiện áp lực tựa trong khai thác lò chợ cũng là do dịch động trong khai thác lò chợ tạo nên. Áp lực tựa phía trước khối than hình thành là do biến dạng của khối than tiếp cận với bề mặt gương lò chợ, khối than bị nén ép phá hủy, hoàn toàn mất đi khả năng mang tải; ở vị trí phía trước cách xa gương lò chợ hơn, do áp lực xung quang tăng nên cường độ giới hạn của than cũng dần dần tăng, khả năng mang tải trong khối than cũng từng bước nâng cao, tạo nên sự phân bố ứng lực nội bộ trong khối than phía trước gương và hình thành vùng áp lực tựa. Do áp lực của áp lực tựa, than nóc phân thành 4 vùng (hình 2.1): vùng hoàn chỉnh (I) (vùng biến dạng đàn hồi), vùng phát triển phá hủy (II) (vùng biến dạng dẻo), vùng phát triển nứt gãy (III) và vùng sập đổ vỡ vụn (IV). Hình 2.1. Phân bố biến dạng than nóc Sự tạo thành vùng phá hủy than nóc lần đầu chủ yếu là tác dụng của áp lực tựa phía trước gương lò. Khi tiếp cận với gương lò thì trở lại đá vách, điều này có liên quan đến kết cấu của đá vách, đặc biệt có quan hệ với cường độ và bước phá hỏa. Trong vùng điều khiển vách, chủ yếu là tác dụng chống giữ nhiều lần của giàn chống đối với đá vách, mà căn cứ và cơ 9 sở phá vỡ than nóc là điều kiện về cường độ tự thân trọng lượng của nó. 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu hồi than nóc 2.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện kiến tạo Điều kiện kiến tạo hình thành các vỉa than có ảnh hưởng lớn đến điều kiện khai thác mỏ. Các phá huỷ địa chất đã chia cắt khoáng sàng thành các khối; trong các khối kiến tạo có thể phân chia ra thành các khu vực khai thác; phụ thuộc vào vị trí tương đối của các phá huỷ địa chất theo đường phương và hướng cắm vỉa. Kích thước ruộng than lớn tương ứng với khả năng áp dụng công nghệ thuận lợi và ngược lại kích thước ruộng than nhỏ thì khả năng áp dụng khó khăn hơn. Tương tự như vậy, trong điều kiện vỉa than dày, kích thước lò chợ lớn thì khả năng thu hồi triệt để than được dễ dàng do khoảng cách giữa các gối tựa hai đầu lò chợ lớn, dễ điều khiển đá vách hơn so với trường hợp kích thước lò chợ nhỏ. 2.2.2. Ảnh hưởng của tính chất đá vách vỉa Tính sập đổ của đá vách vỉa ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả áp dụng công nghệ khai thác hạ trần: khi đá vách dễ sập đổ là điều kiện thuận lợi để thực hiện sơ đồ khai thác lò chợ hạ trần, bởi vì đá vách sập đổ ngay sau khi sập đổ trần than sẽ giảm đáng kể tải trọng tác dụng lên gương lò. Khi đá vách trực tiếp dày, dễ sập đổ, thì sau khi tháo than hạ trần, đá vách có thể lập tức sập đổ, kết cấu sập đổ của đá vách ở dạng vòm áp lực hoặc bán vòm (hình 2.2). a - khi vách dễ sập đổ; b - khi vách sập đổ trung bình; c - vách khó sập đổ Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý tác dụng tương hỗ giữa than sập đổ và đất đá khi tháo lên máng cào 2.2.3. Ảnh hưởng của chiều dày vỉa Chiều dày vỉa than hay chiều dày lớp than hạ trần cũng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khai thác: nếu coi chiều dày trần than nóc lò chợ là một dầm conson thì chiều dày trần than càng lớn, mô men kháng uốn càng cao . Trong cùng điều kiện khai thác với đá vách vỉa cứng vững, tương đối khó sập đổ thì khi chiều dày phân lớp của trần than sát vách mỏng, than mềm bở, độ dính kết thấp nó thường không duy trì được sự ổn định dưới tác dụng của áp lực mỏ: than nóc thường bị vỡ dẫn đến hiện tượng rỗng nóc làm cho sức chống giữ của vì chống giảm, làm hạn chế mức độ an toàn và than hạ trần thu hồi đượt ít (hình 2.3). 10 Hình 2.3. Ảnh hưởng của chiều dày vỉa đến quá trình hạ trần than nóc 2.2.4. Ảnh hưởng của chiều rộng bước hạ trần Bước hạ trần thu hồi than là chỉ khoảng cách dịch chuyển giữa hai lần hạ trần than nóc theo hướng dịch chuyển của lò chợ. Bước hạ trần than hợp lý phải phù hợp với chiều dày vỉa, loại giàn chống, góc sập đổ than nóc. Nếu bước hạ trần than quá lớn (hình 2.4a), trần than dễ tự sập đổ dưới tác dụng của áp lực mỏ và chiều cao sập đổ trần than tăng nhưng đất đá vách sẽ lẫn vào với than đằng sau vùng đã khai thác và cùng đến cửa tháo than, làm cho cửa tháo than đóng lại, làm tăng thêm sự tích đống của than; nếu bước hạ trần than quá nhỏ (hình 2.4c), việc lấy than hạ trần đã sập đổ ra luồng gương được thực hiện dễ dàng nhưng sẽ hạn chế chiều cao sập đổ của trần than,đất đá đằng sau vùng đã khai thác xuống đến cửa tháo than trước than nóc phía trên, một phần của than nóc phía trên bị chặn lại ở trong vùng đã khai thác. (a) Bước hạ trần quá lớn (b) Bước hạ trần hợp lý (c) Bước hạ trần quá nhỏ Dải than tổn thất Đá phá hỏa Đá phá hỏa Dải than tổn thất (a) Bước hạ trần quá lớn ) ớc hạ trần hợp lý (c) Bước hạ trần quá nhỏ Dải than tổn thất Đá phá hỏa Đá phá hỏa ải than tổn thất (a) Bước hạ trần quá lớn (b) Bước hạ trần hợp lý (c) Bước hạ trần quá nhỏ Dải than tổn thất Đá phá hỏa Đá phá hỏa Dải than tổn thất Hình 2.4. Tổn thất than và bước hạ trần than 2.2.5. Ảnh hưởng của khoảng cách cửa tháo than Quá trình tháo than hình thành các “phễu” xuống than; nếu khoảng cách các cửa tháo than lớn, đường biên các “phễu” không giao nhau sẽ gây ra tổn thất than ở khoảng giữa hai cửa tháo; lượng than bị tổn thất này còn gây cản trở sự hạ xuống của lưới thép; nếu khoảng cách các cửa tháo than nhỏ thì đá sập đổ sớm tràn vào các cửa tháo, làm bẩn than và tắc lối xuống than; khi đó than sập đổ nằm ở phía trên cao không lấy ra được, gây tổn thất than theo chiều dày vỉa. 2.2.6. Ảnh hưởng của góc nghiêng gương trần than Khả năng thu hồi than nóc phụ thuộc rất nhiều vào góc nghiêng gương trần than (mặt trượt). Khi góc nghiêng gương trần than về phía trước thì trần than sẽ bị phá hủy trước, dòng than sập đổ trong khoảng giữa giàn 11 chống theo xà và đuôi giàn chảy vào máng cào thu hồi giảm tổn thất. Ngược lại khi góc nghiên trần than về phía đá phá hỏa thì phần than nóc sẽ bị phá hủy cùng với quá trình sập đổ của vách trực tiếp, dòng than sập đổ sẽ lẫn một phần vào đất đá phá hỏa và khả năng thu hồi giảm đi. 2.2.7. Ảnh hưởng của giàn chống và cơ cấu thu hồi than nóc Tác dụng của giàn trong lò chợ hạ trần than nóc không chỉ chống giữ, điều khiển áp lực mỏ, mà còn có tác dụng điều khiển quá trình sập đổ và thu hồi than. Hiện nay giàn chống thu hồi than nóc được sản xuất theo 3 kiểu: giàn chống có cửa tháo than phía trên; cửa tháo ở giữa và cửa tháo than ở dưới (phía sau). Trong ba loại trên thì loại giàn chống có cửa tháo than ở dưới (phía sau) có khả năng thích ứng cao với cục than thu hồi kích thước lớn. Khoảng cách từ gương khấu đến cửa tháo than tương đối xa, than nóc được phá hủy bởi các tấm dầm vách cơ bản kích thước lớn và sự lay động của dầm phá hỏa thuận lợi cho cho khối than nóc phá hủy và rất có lợi cho quá trình tháo than; Máng cào thu hồi than nóc nằm dưới trụ vỉa nên các công tác trong lò chợ không bị ảnh hưởng đến nhau; thời gian di chuyển giàn nhỏ, ít hơn xảy ra hiện tượng ách tắc do cục than lớn (so với các kiểu giàn khác); Công tác hạ trần than được thực hiện phía sau và ở vị trí thấp nên ít phát sinh bụi trong quá trình tháo than; Không gian phá hỏa phía sau rộng có lợi cho quá trình tháo than và nâng cao hiệu quả thu hồi. 2.2.8. Ảnh hưởng của thông số góc dốc vỉa đến quá trình thu hồi than nóc Góc dốc vỉa có ảnh hưởng đến việc áp dụng sơ đồ công nghệ. Góc dốc vỉa ổn định và tương đối theo đường phương khai thác sẽ rất thuận lợi trong quá trình khai thác. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, hướng khấu của lò chợ phải bố trí theo hướng dốc lên hay hướng dốc xuống để phù hợp với kích thước khu vực khai thác. Khi khai thác vỉa theo hướng dốc lên khiến than thu hồi có xu hướng rơi vào không gian đã khai thác gây tổn thất như sơ đồ gương khấu đi lên. Ngược lại khi gương khấu có xu hướng cắm xuống sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho thu hồi than hạ trần, tuy nhiên các giàn chống có xu hướng trôi dần về phía dưới gây khó khăn cho sản xuất. 2.2.9. Ảnh hưởng của thông số tốc độ tiến gương Tốc độ tiến gương nhanh dẫn đến tăng cường độ dịch chuyển đá vách nhưng mức độ hạ vách trên 1 m chiều dài lò chợ giảm. Tăng tốc độ tiến gương, các nứt lẻ hình thành trong đá vách giảm và nâng cao mức độ ổn định của nóc lò, nâng cao khả năng thu hồi than nóc. 2.2.10. Ảnh hưởng của phương thức thu hồi than hạ trần 12 Lò chợ sử dụng công nghệ khai thác cơ giới hóa hạ trần thu hồi than nóc trên thế giới hiện đang dùng cách thức hạ trần như: Hạ trần nhiều lần theo thứ tự liên tục của giàn chống; hạ trần nhiều lần theo thứ tự so le của giàn chống; hạ trần một lần theo thứ tự liên tục của giàn chống; hạ trần một lần theo thứ tự so le của giàn chống. Tùy theo từng điều kiện chiều dày, góc dốc vỉa, kích thước lò chợ mà các phương thức hạ trần có hiệu quả khác nhau. 2.2.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ khấu - hạ trần Tỷ lệ khấu - hạ trần tức là tỷ số giữa chiều cao khấu 1h và chiều cao lớp than hạ trần 2h , (hình 2.5). Trước đây để xác định tỷ lệ khấu - hạ trần chủ yếu dựa trên hệ số rời rạc của than SK để xác định chiều cao khấu. Thường cho rằng, trong khai thác các vỉa dày và rất dày, chiều cao khấu càng lớn thì càng có lợi cho khả năng sập đổ và tháo than nóc, tỷ lệ thu hồi chung của lò chợ cũng cao. (a) Hình 2.5. Quan hệ tỷ lệ khấu - hạ trần Thông thường, ở các vỉa than mềm yếu thì khả năng phá hủy và sập đổ của vách tốt, tuy nhiên chống giữ hai đầu lò chợ và hiện tượng tụt nóc lở gương phức tạp hơn, khi đó nên giảm nhỏ tỷ lệ khấu và hạ trần. Đối với vỉa cứng trung bình trở lên, thì cần tăng chiều cao khấu lên và tăng không gian tháo hạ phía sau rộng lên, như vậy sẽ nâng cao được tỷ lệ thu hồi than nóc trong lò chợ. 2.3. Kết luận Chương 2 Trên cơ sở kết quả tổng hợp và nghiên cứu, chương 2 trong luận án rút ra một số kết luận như sau: (1) Trong quá trình khai thác than hầm lò nói chung và tại các vỉa dày dốc thoải nói riêng có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi than hạ trần như: mức độ phá huỷ kiến tạo, tính sập đổ của đá vách vỉa, chiều dày vỉa khai thác, chiều rộng bước hạ trần, khoảng cách các cửa tháo, góc nghiêng gương trần than, tổ hợp thiết bị giàn chống cơ khí hóa; (2) Mỗi yếu tố điều kiện địa chất- kỹ thuật mỏ đều có những đặc điểm ảnh hưởng riêng và chúng có liên quan với nhau tác động đến hiệu quả khai thác, khả năng thu hồi than hạ trần và mức độ an toàn lao động. (3) Để nâng cao hiệu quả khai thác, việc xác định các thông số công 13 nghệ hợp lý nhằm nâng cao sản lượng khai thác, tăng năng suất lao động, đảm bảo an toàn và giảm thiểu các tác động của các yếu tố điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ là yêu cầu đặt ra cho toàn ngành than Việt Nam nói chung và cũng là định hướng nghiên cứu của luận án nói riêng. CHƯƠNG 3. HOÀN THIỆN MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LÒ CHỢ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA ĐỒNG BỘ HẠ TRẦN THAN Ở VỈA DÀY, DỐC THOẢI VÀ NGHIÊNG VÙNG QUẢNG NINH 3.1. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là công tác thu hồi than nóc. Toàn bộ quá trình khai thác phần than nóc bắt đầu từ ở điều kiện địa chất ban đầu cho đến khi hạ xuống cửa tháo than chủ yếu chia làm hai giai đoạn là: quá trình phá hủy rạn vỡ và quá trình tháo hạ. Quá trình phá hủy của than nóc hiệu quả là cơ sở thuận lợi cho việc tháo than, mà quá trình phá hủy chủ yếu ảnh hưởng bởi ứng suất của đất đá xung quanh. Do đó nghiên cứu khả năng sập đổ của than nóc cơ bản phải dựa trên quy luật phân bố ứng suất của đá xung quanh lò chợ. Trong chương này, luận án sử dụng mô hình phần mềm số Phase 2, nghiên cứu ảnh hưởng của bước thu hồi than hạ trần và tỷ lệ khấu-hạ trần đến quy luật phân bố ứng suất và biến dạng dẻo của đá vách (bao gồm than nóc). 3.2. Xây dựng mô hình và tiến hành thí nghiệm mô phỏng 3.2.1. Xây dựng mô hình Mô hình xây dựng trên căn cứ địa chất thực tiễn tại lò chợ cơ giới hóa vỉa 7, mỏ Hà Lầm. Lò chợ khai thác ở độ sâu 250  350m, chiều dày vỉa 10  20m, vỉa tương đối ổn định, góc dốc vỉa xây dựng trên mô hình là 00. Tính chất và đặc điểm của khu vực khai thác như bảng 3.1. Bảng 3.1. Các tham số địa chất đầu vào cho phân tích Số TT Tên các tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Vách cơ bản (cát kết) Vách trực tiếp (bột kết) Vỉa Than 1 Trọng lượng thể tích của đất đá  0,026 0,027 0,018 MN/m 3 2 Độ bền kéo của khối đá k 0,5 0,7 0 MPa 3 Lực dính kết của khối đá c 1,0 2,0 0,2 MPa 4 Góc ma sát trong của khối đá  35 40 15 Độ 5 Mô đun đàn hồi của khối đá E 2000 3000 300 МPa 6 Hệ số Poisson của khối đá  0,31 0,30 0,35 - 7 Góc dãn nở  0 - Độ 8 Góc ma sát trong dư re 30 35 10 Độ 9 Lực dính kết dư cre 0,5 1,0 0,1 MPa 10 Chiều rộng lò chợ B - - 2,5 m 11 Loại vật liệu - Đàn-Dẻo Đàn-Dẻo Đàn-Dẻo - 12 Tiêu chuẩn sử dụng M-C - - - - 13 Hệ số ứng suất nguyên sinh 3/1 1,0 1,0 1,0 - 14 Góc nghiêng phân lớp đá  0 0 0 Độ 15 Chiều dầy lớp đá m 20-40m 7-20m 10m, 15m, 20m 14 3.2.2. Xác định các phương án trong mô hình Xây dựng mô hình mô phỏng trong công nghệ khai thác cho các vỉa rất dày khi bước thu hồi than hạ trần và tỉ lệ khấu-hạ trần thay đổi.Lựa chọn chiều dày vỉa lần lượt là 10m, 15m và 20m. Các phương án thay đổi bước thu hồi than hạ trần và tỷ lệ khấu - hạ trần như sau: - Bước thu hồi than hạ trần (rth) phía sau lò chợ lật lượt lấy theo các bước: rth = r, rth = 2r, rth = 3r (trong đó r là bước tiến gương trong mỗi luồng khấu, lấy r = 0,63m). - Chiều cao lò chợ hay chiều cao luồng khấu cho chạy thay đổi từ 2,5m, 2,8m và 3,2m tương đương với tỷ lệ khấu - hạ trần cho từng trường hợp: + Vỉa dày 10m: tỷ lệ 1:3; 1:2,5; 1:2,1; + Vỉa dày 15m: tỷ lệ 1:5; 1:4,3; 1:3,7; + Vỉa dày 20m: tỷ lệ 1:7; 1:6,1; 1:5,2 3.3. Phân tích, đánh giá kết quả trên mô hình 3.3.1. Phân tích, đánh giá kết quả khi thay đổi bước thu hồi than hạ trần Trong trường hợp này chúng ta đi mô phỏng, xem xét vùng sập đổ của than nóc phía sau lò chợ tương ứng với các bước thu hồi than hạ trần khác nhau. Bằng phần mềm số chúng ta có thể mô phỏng bài toán phân tích như trong hình vẽ 3.1. a) Khi bước di chuyển lò chợ 0,63m b) Khi bước di chuyển lò chợ 1,26m c) Khi bước di chuyển lò chợ 1,89m Hình 3.1. Mô hình mô phỏng a) Phân bố chuyển vị tổng thể xung quanh khu vực lò chợ b) Các phần tử phá hủy than phía nóc và phía sau giàn chống lò chợ Hình 3.2. Phân bố chuyển vị và vùng phá hủy than sau phân tích 15 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Tỷ lệ th u hồ i Chu kỳ thu hồi Bước thu hồi 0,63 Bước thu hồi 1,26 Bước thu hồi 1,89 Hình 3.3. Đồ thị biểu thị tỷ lệ thu hồi than nóc khi thay đổi bước hạ trần khác nhau (vỉa dày 10m, chiều cao khấu 2,8m) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Tỷ lệ t hu h ồi Chu kỳ thu hồi Bước thu hồi 0,63 Bước thu hồi 1,26 Bước thu hồi 1,89 Hình 3.4. Đồ thị biểu thị tỷ lệ thu hồi than nóc khi khi thay đổi bước hạ trần khác nhau (vỉa dày 15m, chiều cao khấu 2,8m) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Tỷ lệ th u hồ i Chu kỳ thu hồi Bước thu hồi 0,63 Bước thu hồi 1,26 Bước thu hồi 1,89 Hình 3.5. Đồ thị biểu thị tỷ lệ thu hồi than nóc khi khi thay đổi bước hạ trần khác nhau (vỉa dày 15m, chiều cao khấu 3m) Kết quả tổng hợp quá trình chạy mô hình tương ứng trong các trường hợp chiều dày vỉa lần lượt là 10m, 15m, 20m tương ứng với các bước thu hồi than hạ trần khác nhau được thể hiện trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Bảng tổng hợp kết quả thu hồi than hạ trần Chiều dày vỉa Tỷ lệ thu hồi Bước thu hồi rth = r = 0,63m Bước thu hồi rth = r = 1,26m Bước thu hồi rth = r = 1,89m 10m 87% 74% 63% 15m 73% 83% 70% 20m 64% 84% 73% 16 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 10m 15m 20m Tỷ lệ th u hồ i Chiều dày vỉa Bước thu hồi rth = r = 0,63m Bước thu hồi rth = r = 1,26m Bước thu hồi rth = r = 1,89m 79% 13m Hình 3.6. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa tỷ lệ thu hồi than hạ trần tương ứng với chiều dày vỉa và bước thu hồi than hạ trần 3.3.2. Phân tích, đánh giá kết quả khi thay đổi tỷ lệ khấu - thu hồi Ở trường hợp này, luận án đi mô phỏng xem xét vùng sập đổ phía sau giàn chống khi tỷ lệ giữa chiều cao khấu gương và chiều cao hạ trần than nóc thay đổi. Bằng phần mềm số chúng ta có thể mô phỏng bài toán phân tích như trong hình vẽ 3.7. a) Khi chiều cao luồng khấu 2,5m b) Khi chiều cao luồng khấu 2,8m c) Khi chiều caoluồng khấu 3,2m Hình 3.7. Mô hình mô phỏng Bằng mô phỏng và phân tích phần mềm chúng ta sẽ thay đổi chiều cao khấu than tương ứng với chiều dầy của vỉa than. Trên hình 3.10 mô tả hình ảnh sự phân bố dịch chuyển và ứng suất phân bố của đất đá xung quanh gương lò chợ khi thay đổi chiều cao luồng khấu than. a) Phân bố chuyển vị tổng thể xung quanh khu vực lò chợ b) Các phần tử phá hủy than phía nóc và phía sau giàn chống lò chợ Hình 3.8. Phân bố chuyển vị và vùng phá hủy than xung quanh giàn chống 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Tỷ lệ th u hồ i Chu kỳ thu hồi Tỷ lệ khấu 1:3 Tỷ lệ khấu 1:2,3 Tỷ lệ khấu 1:1,86 17 Hình 3.9. Đồ thị biểu thị tỷ lệ thu hồi than nóc khi tỷ lệ khấu-hạ trần thay đổi với điều kiện vỉa dày 10m 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Tỷ l ệ t h u h ồ i Chu kỳ thu hồi Tỷ lệ khấu 1:5 Tỷ lệ khấu 1:4 Tỷ lệ khấu 1:3,4 Hình 3.10. Đồ thị biểu thị tỷ lệ thu hồi than nóc khi tỷ lệ khấu-hạ trần thay đổi với điều kiện vỉa dày 15m 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Tỷ lệ t hu h ồi Chu kỳ thu hồi Tỷ lệ khấu 1:7 Tỷ lệ khấu 1:5,67 Tỷ lệ khấu 1:4,47 Hình 3.11. Đồ thị biểu thị tỷ lệ thu hồi than nóc khi tỷ lệ khấu-hạ trần thay đổi với điều kiện vỉa dày 20m y = -0,0006x4 + 0,0123x3 - 0,0883x2 + 0,2142x + 0,6854 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1:2,1 1:2,5 1:3 1:3,7 1:4,3 1:5 1:5,2 1:6,1 1:7 Tỷ lệ t hu h ồi Tỷ lệ khấu-hạ trần Hình 3.12. Mối quan hệ giữa tỷ lệ khấu-hạ trần và thu hồi than nóc Thông qua kết quả phân tích trên cho thấy, quan hệ giữa tỷ lệ khấu-hạ trần và thu hồi than nóc là phi tuyến tính. Khi tỷ lệ khấu-hạ trần lớn hớn 1:2,5, tùy theo tỷ lệ khấu-hạ trần giảm mà tỷ lệ thu hồi than nóc cũng giảm, khi tỷ lệ khấu-hạ trần nhỏ hơn 1:2,5 thì cũng tùy theo tỷ lệ khấu-hạ trần tăng mà tỷ lệ thu hồi than nóc cũng giảm đi. Theo kết quả phân tích mô hình thì tỷ lệ than thu hồi cao nhất tại vị trí có tỷ lệ khấu-hạ trần 1:2,5. 3.4. Kết luận Chương 3 (1) Khi chiều dày vỉa trong trường hợp nhỏ hơn 13m thì việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng với bước khấu gương (r th = r) sẽ cho hiệu quả tốt. Ngược lại, khi chiều dày vỉa trong trường hợp lớn hơn 13m thì 18 việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng 2 lần bước khấu gương (r th = 2r) mới mang lại hiệu quả. (2) Khi tỷ lệ khấu-hạ trần lớn hơn 1:2,5, tùy theo tỷ lệ khấu-hạ trần giảm mà tỷ lệ thu hồi than nóc cũng giảm, khi tỷ lệ khấu-hạ trần nhỏ hơn 1:2,5 thì cũng tùy theo tỷ lệ khấu-hạ trần tăng mà tỷ lệ thu hồi than nóc cũng giảm đi. Tùy thuộc vào loại vì chống cơ khí hóa lựa chọn mà tỷ lệ than thu hồi cao nhất là khi tỷ lệ khấu-hạ trần 1:2,5. CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LÒ CHỢ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA ĐỒNG BỘ HẠ TRẦN THAN Ở VỈA DÀY, DỐC THOẢI VÀ NGHIÊNG TẠI V7 MỎ THAN HÀ LÀM 4.1. Khái quát chung về điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu Khu vực được lựa chọn nghiên cứu thuộc lò chợ cơ giới hóa vỉa 7 mỏ than Hà Lầm có: chiều dài theo phương KKT: Lp = 300m; chiều dài theo hướng dốc lò chợ: Lhd = 154m; chiều dày vỉa trung bình: M = 19,5m; góc dốc vỉa trung bình:  = 100; tổng trữ lượng địa chất khoảng: Z = 1.400.000 tấn; đá vách, trụ thuộc loại sập đổ ổn định trung bình. 4.2. Công nghệ khai thác 4.2.1. Công tác khấu than Công tác khấu than trong lò chợ sử dụng máy khấu 2 tang tương đương mã hiệu MG300/730WD; chiều cao khấu 1,7 ÷ 3,4m; chiều sâu cắt 630mm; tổng công suất lắp máy 730kW; điện áp 1140V; tốc độ kéo 08,7m/phút. 4.2.2. Công tác chống giữ lò chợ Công tác chống giữ trong lò chợ sử dụng giàn chống mã hiệu ZF8000/20/32; lực cản làm việc của giàn chống 8000KN; khoảng cách giữa tâm các giàn chống 1,5m; chiều cao giàn chống 2,0÷3,2m. 4.2.3. Công tác điều khiển áp lực mỏ Công tác điều khiển áp lực mỏ được thực hiện theo phương thức phá hỏa toàn phần. Đất đá vách tự sập đổ cùng với quá trình sập đổ của trần than sau mỗi chu kỳ khấu. 4.3. Kết quả áp dụng thử nghiệm 4.3.1. Hoàn thiện thông số bước thu hồi than hạ trần 1. Thông số lò chợ áp dụng thử nghiệm Bảng 4.1. Bảng các thông số vị trí lò chợ áp dụng thử nghiệm 19 TT Chỉ tiêu Giá trị 1 Chiều dài theo phương (m) IIK-60÷ IIK-75 IIK-75÷ IIK-90 IIK-90÷ IIK-105 2 Chiều dày trung bình 21,7 21,7 19,9 3 Góc dốc lò chợ trung bình (độ) 10 4 Chiều dài lò chợ (m) 154 5 Trữ lượng (T) 76.694 76.694 70.244 6 Chiều cao khấu gương (m) 2,8 7 Bước thu hồi than hạ trần rth=r=0,63m rth=2r=1,26m rth=3r=1,89m 8 Chiều cao trung bình lớp than hạ trần (m) 18,9 18,9 17,1 2. Kết quả áp dụng thử nghiệm Tổng hợp kết quả áp dụng thử nghiệm các bước thu hồi than hạ trần khác nhau từ IIK-60 đến IIK-105 tại lò chợ cơ giới hóa vỉa 7 mỏ than Hà Lầm được thể hiện trên hình 4.1. 0,0 500,0 1.000,0 1.500,0 2.000,0 2.500,0 3.000,0 3.500,0 4.000,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Sả n l ư ợ n g, t ấn Số ngày khai thác Bước thu hồi rth=r=0,63m Bước thu hồi rth=2r=1,26m Bước thu hồi rth=3r=1,89m Hình 4.1. Biểu đồ biểu thị mối tương quan giữa sản lượng khai thác lò chợ khi thay đổi bước thu hồi than hạ trần khác nhau Từ biều đồ hình 4.5 có thể thấy rằng, với điều kiện vỉa có chiều dày lớn tương đương khoảng 20m, thì việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần rth = 2r = 1,26m (bước thu hồi than hạ trần bằng hai lần bước khấu gương) cho sản lượng cao hơn hẳn so với hai trường hợp còn lại. y = -13,477x2 + 59,485x + 19,938 y = 11,675x2 - 51,62x + 70,25 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 rth=r=0,63m rth=2r=1,26m rth=3r=1,89m Tỷ lệ % Bước thu hồi Tỷ lệ thu hồi than nóc (%) Tổn thất chung (%) Hình 4.2. Biểu đồ biểu thị mối tương quan giữa tỷ lệ thu hồi, tổn thất tương ứng với bước thu hồi than hạ trần Tỷ lệ tổn thất than tương ứng được xác định gần đúng theo phương trình: y = 11,675x2 - 51,62x + 70,25 Trong đó: y - là tỷ lệ tổn thất; x - bước thu hồi than hạ trần 4.3.2. Hoàn thiện thông số tỷ lệ khấu-hạ trần 1. Thông số lò chợ áp dụng thử nghiệm Bảng 4.2. Bảng các thông số vị trí lò chợ áp dụng thử nghiệm 20 T T Chỉ tiêu Giá trị 1 Chiều dài theo phương (m) IIK105÷ IIK120 IIK120 ÷ IIK135 IIK135 ÷ IIK150 2 Chiều dày trung bình 19,9 18,7 18,7 3 Góc dốc lò chợ trung bình (độ) 10 4 Chiều dài lò chợ (m) 154 5 Trữ lượng (T) 70.244 66.091 66.091 6 Chiều cao khấu gương (m) 2,5 2,8 3,2 7 Bước thu hồi than hạ trần rth=2r=1,26m 8 Tỷ lệ khấu-hạ trần 1:6,95 1:5,68 1:4,84 9 Chiều cao trung bình lớp than hạ trần (m) 17,4 15,9 15,5 2. Kết quả áp dụng thử nghiệm Tổng hợp kết quả áp dụng thử nghiệm khai thác lò chợ cơ giới hóa vỉa 7 mỏ than Hà Lầm theo các tỷ lệ khấu-hạ trần khác nhau từ IIK-105 đến IIK- 150 được thể hiện trên hình 4.3. 0,0 1.000,0 2.000,0 3.000,0 4.000,0 5.000,0 6.000,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Sả n l ư ợ n g, t ấn Số ngày khai thác Tỷ lệ khấu-hạ trần 1:6,95 Tỷ lệ khấu-hạ trần 1:5,68 Tỷ lệ khấu-hạ trần 1:4,84 Hình 4.3. Biểu đồ biểu thị mối tương quan giữa sản lượng khai thác lò chợ khi thay đổi tỷ lệ khấu-hạ trần Từ biều đồ hình 4.3 có thể thấy rằng, với điều kiện vỉa có chiều dày lớn khoảng 20m thì tỷ lệ khấu-hạ trần càng nhỏ (tức chiều cao khấu gương lớn) thì sản lượng khai thác càng cao. Tuy nhiên, xét về mức độ ổn định của lò chợ khai thác thì tỷ lệ khấu-hạ trần 1:5,68 (chiều cao khấu 2,8m) là tốt nhất. Mặc dù lò chợ khai thác với tỷ lệ khấu-hạ trần 1:4,84 cho sản lượng cao hơn nhưng lại không ổn định do hay bị lở gương lò chợ dẫn đến ách tắc sản xuất. y = -7,5x2 + 27,5x + 54 y = 6,3504x2 - 23,805x + 40,813 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 1:6,95 1:5,68 1:4,84 Tỷ lệ % Tỷ lệ khấu-hạ trần Tỷ lệ thu hồi than nóc (%) Tổn thất chung (%) Hình 4.4. Biểu đồ biểu thị mối tương quan giữa tỷ lệ thu hồi, tổn thất tương ứng với tỷ lệ khấu-hạ trần Tỷ lệ tổn thất than tương ứng được xác định gần đúng theo phương trình: y = 6,3504x2 - 23,805x + 40,813 Trong đó: y- là tỷ lệ tổn thất; x - là tỷ lệ khấu-hạ trần 21 4.4. Kết luận Chương 4 (1) Trong điều kiện chiều dày vỉa lớn (20m) thì bước thu hồi than hạ trần hợp lý là bằng 2 lần bước khấu gương lò chợ (rth = 2r) là tối ưu nhất. Với thiết bị, cơ cấu thu hồi của giàn chống đang áp dụng thì bước thu hồi than lớn hơn hay nhỏ hơn đều cho tỷ lệ than thu hồi thấp hơn. (2)Với đặc điểm than tại vỉa 7 mỏ Hà Lầm, đồng thời phù hợp với thiết bị khấu - chống lò chợ thì tỷ lệ khấu-hạ trần hợp lý là 1:5,68 (tương ứng với chiều cao khấu gương 2,8m). Theo nguyên tắc thì chiều cao khấu gương càng lớn thì tỷ lệ tổn thất càng giảm, tuy nhiên trong trường hợp này thì khi chiều cao khấu gương lớn sẽ dẫn đến hiện tượng lở gương lò chợ, lò chợ ách tắc sản xuất và dẫn đến tổn thất lại nhiều hơn. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: 1. Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ trong khai thác lò chợ tại các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng đã được áp dụng phổ biến và cũng đang dần được hoàn thiện để tối ưu hóa. Khi sử dụng tổ hợp thiết bị cơ khí hóa đồng bộ này đã mang lại hiệu quả kinh tế cao trong quá trình khai thác, thu hồi than hạ trần, nâng cao sản lượng khai thác, tăng năng suất và đảm bảo an toàn lao động, tận thu tối đa tài nguyên. 2. Trong 10 năm trở lại đây ngành than đã từng bước đưa thiết bị cơ giới hóa vào phục vụ khai thác tại một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh. Mặc dù bước đầu áp dụng còn những hạn chế nhất định nhưng cơ bản đã đáp ứng được những yêu cầu về định hướng phát triển của ngành. Tuy vậy, cho đến nay tại các lò chợ cơ giới hóa này chưa có công trình đánh giá cụ thể về tính phù hợp của thông số công nghệ ảnh hưởng đến khả năng thu hồi than hạ trần. Đây là vấn đề cấp thiết cần đầu tư nghiên cứu giải quyết mục tiêu cho ngành than có thể hoàn thiện từng bước đồi với đặc thù riêng công nghệ này. 3. Tỷ lệ tổn thất than trong quá trình thu hồi than nóc khi sử dụng đồng bộ thiết bị cơ giới hóa trong lò chợ tại các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Chiều dày vỉa, góc dốc vỉa, bước thu hồi than hạ trần, tỷ lệ khấu - hạ trần, kết cấu giàn chống,.v.v. Với phạm vi nghiên cứu, bằng phầm mềm kỹ thuật số, luận án xác định hai thông số chính đó là: (1) bước hạ trần; (2) tỷ lệ khấu-hạ trần, cụ thể như sau: -Trong các điều kiện nói chung, với điều kiện cụ thể khi khai thác vỉa 7 mỏ than Hà Lầm khi chiều dày vỉa nhỏ hơn 13m thì việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng với bước khấu gương (rth = r) sẽ cho hiệu quả tốt. Ngược lại, khi chiều dày vỉa lớn hơn 13m thì việc áp dụng bước thu hồi than hạ 22 trần bằng 2 lần bước khấu gương (rth = 2r) mới mang lại hiệu quả. - Với tỷ lệ khấu-hạ trần, khi các tham số đầu vào là lý tưởng thì tỷ lệ khấu- hạ trần tương ứng 1:2,5 là cho kết quả tốt nhất. Khi tỷ lệ này tăng lên hay giảm đi thì tỷ lệ thu hồi than nóc đều giảm dần. 4. Kết quả tính toán, áp dụng trong thực tế tại lò chợ cơ giới hóa vỉa 7 (chiều dày vỉa ≈20m, góc dốc vỉa trung bình 100) cho thấy tỷ lệ tổn thất than trong quá trình thu hồi than hạ trần nhỏ nhất (15%) khi bước thu hồi than hạ trần bằng hai lần bước khấu gương (rth = 2r = 1,26m). Đồng thời, tỷ lệ tổn thất than của nhỏ nhất khi tỷ lệ khấu-hạ trần là 1:5,68 (tương ứng với chiều cao khấu gương 2,8m phù hợp với giàn chống hiện tại). Điều đó cho thấy khi sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ với hai thông số công nghệ theo đề xuất của luận án là phù hợp với điều kiện địa chất - kỹ thuật của vỉa vỉa 7 mỏ than Hà Lầm. Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, đặc tính vỉa than và đá vách-trụ vỉa, thiết bị đồng bộ áp dụng trong lò chợ mà điều chỉnh tỷ lệ này cho phù hợp với các vỉa than dày, dốc thoải vùng Quảng Ninh nói chung. Kiến nghị: Tác giả của luận án xin kiến nghị các cơ quan có thẩm quyền xem xét, cho phép áp dụng các kết quả nghiên cứu trên vào thực tế sản xuất, tư vấn, nghiên cứu, giảng dạy. 23 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Nông Việt Hùng, Trần Xuân Hà, Nguyễn Thị Thu Hương, “Nghiên cứu, đánh giá công nghệ đào lò, khai thác giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường và định hướng phát triển cơ giới hóa tại các mỏ than vùng Quảng Ninh ”, Hội nghị Khoa học kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ XXIV , tr. 253 - 260. 2. Nông Việt Hùng và nnk (số 5/2012), “Nghiên cứu, lựa chọn các giải pháp đào chống lò tiết diện lớn bằng các phương pháp đặc biệt qua vùng địa chất phức tạp”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 5 - 2012, tr. 18 - 22. 3. Nông Việt Hùng, Trần Phúc Định, Võ Thành Trung (số 6/2014), “Kết quả nghiên cứu áp dụng kíp nổ vi sai phí điện tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 6 - 2014, tr. 39 - 42. 4. Nông Việt Hùng, Nguyễn Văn Dũng, Phùng Mạnh Đắc (số 4/2016), “Nghiên cứu mối quan hệ tương tác giữa khối đá vách và giàn chống trong lò chợ cơ giới hóa hạ trần ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 4 - 2016, tr. 1 - 4. 5. Nông Việt Hùng, Phùng Mạnh Đắc, Đặng Vũ Chí (số 2/2017), “Ảnh hưởng của các tham số địa chất-kỹ thuật mỏ đến chiều cao vùng phá hủy lớp than hạ trần trong các vỉa dày, dốc thoải và nghiêng”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 2 - 2017, tr. 1–4 6. Nông Việt Hùng (số 2/2016), “Sự ảnh hưởng của áp lực mỏ trong lò chợ cơ giới hóa hạ trần ở vỉa than dày, dốc thoải, nghiêng khi xuống sâu tại các mỏ hầm lò Quảng Ninh”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 2 - 2016, tr. 91 - 94. 7. Nông Việt Hùng, Phùng Mạnh Đắc, Nguyễn Công Chính, Nguyễn Hải Trung, “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng cấu trúc đá vách trụ vỉa ảnh hưởng đến cơ giới hóa khai thác hạ trần than tại một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, Hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ XXV , tháng 8- 2016, tr. 337 - 352. 8. Nông Việt Hùng, (số 8/2016) “Nghiên cứu đánh giá một số sơ đồ công nghệ cơ giới hóa khai thác các vỉa dày dốc thoải đến nghiêng hạ trần than nóc ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, Thông tin khoa học Công nghệ mỏ, số 8 - 2016, tr. 13-19. 9. Nông Việt Hùng, Phùng Mạnh Đắc, Đặng Vũ Chí, “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than bằng mô hình số khi có xem xét đến các tham số trong điều kiện các vỉa dày, dốc thoải và nghiêng”, Hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ XXVI, tháng 8 - 2017, tr. 131 - 136. 10. Nông Việt Hùng, Trần Đức Thắng, Phạm Ngọc Thiệp, “Tổng quan về một số tổ hợp máy đào lò tiên tiến trên thế giới phù hợp với điều kiện địa 24 kỹ thuật các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, Hội thảo khoa học toàn quốc, tháng 8-2015, tr. 94 -101. 11. Nông Việt Hùng và nnk, “Nghiên cứu áp dụng công nghệ khai thác để tiết kiệm tài nguyên trong một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 1-2018, tr.40-43.