Bài giảng Các quá trình sản xuất mỏ lộ thiên: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của bài giảng Các quá trình sản xuất mỏ lộ thiên cung cấp cho học viên những nội dung về: những vấn đề chung; công nghệ khai thác mỏ lộ thiên; khái niệm về mở vỉa và hệ thống khai thác; chuẩn bị đất đá cho xúc bốc; làm tơi đá bằng cơ giới; công tác khoan lỗ mìn trên mỏ lộ thiên;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

BỘ MÔN KỸ THUẬT MỎ LỘ THIÊN - KHOA MỎ - CÔNG TRÌNH

BÀI GIẢNG

CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT MỎ LỘ THIÊN

(Dành cho sinh viên bậc Đại học)

(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Quảng Ninh, 2020

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.1 Đối tượng và điều kiện áp dụng phương pháp khai thác mỏ lộ thiên

1.1.1 Đối tượng của khai thác mỏ lộ thiên

Khai thác lộ thiên (KTLT) là một dạng hoạt động công nghệ nhằm thu hồi các khoáng sản có ích (KSCI) ở thể rắn từ lòng đất (bao gồm cả dưới và trên mặt đất) nhằm sử dụng vào các mục đích kinh tế khác nhau của Con người Đối tượng của KTLT là tất cả những khoáng sàng (nơi tập trung một hay một số KSCI ở trạng thái tự nhiên có khả năng khai thác được) có chứa KSCI có thể khai thác được trong những điều kiện kinh tế - kỹ thuật cụ thể Đặc điểm công nghệ nổi bật của KTLT là phải bóc đi một khối lượng đất đá khá lớn (có thể tới hàng chục lần) so với khối lượng KSCI thu hồi được, bởi vậy có thể nói, đối tượng tác động trực tiếp của KTLT là đất đá mỏ và KSCI Tuy nhiên, trong điều kiện cụ thể về địa chất thủy văn

và thời tiết khí hậu nước ta - mưa nhiều, lưu lượng nước ngầm lớn, thì đối tượng của KTLT còn là nước mỏ nữa Thí dụ, nước thải của mỏ than Cọc Sáu hàng năm lên tới 910 triệu m3, còn của mỏ sắt Thạch Khê theo tính toán, thì có thể tới 3 triệu m3/ngày-đêm

Sự phát triển của khoa học-công nghệ, của kinh tế-kỹ thuật là nhân tố quyết định quá trình mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ KTLT, nhờ nó mà đối tượng của KTLT ngày càng nhiều hơn về số lượng và phong phú hơn về chủng loại: Nhờ kỹ thuật gia công chế biến hiện đại mà nhiều loại quặng nghèo (có chất lượng kém) đã được huy động để thu hồi bằng KTLT như vonfram Núi Pháo, apatit Lào Cai loại III,…; Nhiều thân khoáng có chiều sâu vùi lấp lớn đã được khai thác bằng phương pháp lộ thiên (mà trước đây không thể) như phần trữ lượng than từ mức -150-300 m của các khoáng sàng than Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn,…; Không ít những khoáng sàng có điều kiện tự nhiên hết sức phức tạp đã được đưa vào các dự

án KTLT mà điển hình là sắt Thạch Khê - một khoáng sàng có điều kiện tự nhiên không thuận lợi: mưa nhiều, thân khoáng nằm sát mép biển, quặng phân bố sâu dưới mực nước biển tới

125750 m, lớp đất phủ mềm yếu, nước ngầm nhiều và có mối quan hệ thủy lực với nước biển, tiềm ẩn nhiều sự cố, rủi ro về môi trường,…

Các đối tượng KTLT thường có tính biến động cao về đặc điểm hóa, lý và cơ học Điều

đó dẫn đến những khó khăn trong việc lựa chọn công cụ cũng như phương thức để tác động lên nó một cách hiệu quả Cuộc đại nhảy vọt của khoa học công nghệ trong nửa cuối của Thế

kỷ XX đã giúp cho ngành KTLT vượt qua được những trở ngại đó Ngày nay người ta đã chế tạo được những máy móc đa năng, có công suất từ nhỏ đến lớn và rất lớn, có nhiều tính năng

kỹ thuật phù hợp với mọi đối tượng tác động; nhiều loại vật tư kỹ thuật tiên tiến, tương thích với mọi yêu cầu sử dụng;… mà chúng sẽ được lần lượt nghiên cứu trong các nội dung các chương sau

1.1.2 Đặc điểm của khai thác lộ thiên

Trên mỏ lộ thiên, các công trình khai đào đều được tiến hành ngoài trời, do vậy so với khai thác hầm lò thì khai thác lộ thiên có những đặc điểm sau:

a) Điều kiện lao động tốt do mọi công việc được tiến hành ngoài trời, có đầy đủ ánh sáng và khí trời, có không gian thao tác rộng lớn Tạo điều kiện để đảm bảo sức khoẻ và nâng cao năng suất lao động cho công nhân

b) Điều kiện không gian cho phép sử dụng thiết bị hiện đại, có năng suất cao và khả năng cơ giới hoá - tự động hoá Ngày nay trên các mỏ lộ thiên lớn người ta sử dụng các loại máy xúc tay gàu và máy xúc thuỷ lực được trang bị các hệ thống điều khiển, tra dầu mỡ, phát hiện hỏng hóc, tự động, trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS, có dung tích gàu 1225 m3

và hơn, ô tô tải trọng 75240 tấn hoặc những máy xúc nhiều gàu kiểu khung xích và kiểu rôtor hiện đại có năng suất giờ đạt tới 3200 m3/giờ và hơn

c) Thời gian xây dựng mỏ ngắn So với mỏ hầm lò có sản lượng tương đương thì thời gian xây dựng của mỏ lộ thiên thường chỉ bằng 2530 % hoặc nhỏ hơn, do có thể tiến hành song song các công việc trong xây dựng, sử dụng được các thiết bị lớn có năng suất cao để thi

công các hạng mục công trình Vốn đầu tư xây dựng của mỏ lộ thiên cũng nhỏ hơn nhiều so với mỏ hầm lò có sản lượng tương đương trong vùng

d) Tổn thất tài nguyên ít vì không cần để lại các trụ bảo vệ như ở hầm lò, điều kiện địa chất rõ ràng nên không bỏ sót tài nguyên, dễ khai thác chọn lọc, có điều kiện để tận thu tài nguyên Tổn thất tài nguyên trung bình trên các mỏ lộ thiên là 68 %, có nơi chỉ 24 %, trong khi đó của các mỏ hầm lò là 1824 %, cá biệt có nơi trên 60 %

e) Chịu ảnh hưởng của thời tiết khí hậu Đặc biệt đối với nước ta - một vùng khí hậu nhiệt đới Ảnh hưởng của mùa mưa là rất xấu đối với các mỏ lộ thiên, nhất là những mỏ đang khai thác dưới mức thoát nước tự chảy Mùa mưa hàng năm kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, gây ra những sự cố trầm trọng trên các mỏ than: ngập lụt, đường sá hư hỏng, bờ mỏ bị sụt lở, đất đá và bùn lấp đầy mỏ, Về mùa sương mù (từ tháng 2 đến tháng 4), ở các mỏ vùng núi cao, thường rất khó khăn trong việc quan sát, nhất là những ngày hanh khô, sương mù và bụi làm cho tầm nhìn của tài xế chỉ còn lại vài ba mét Nắng to về mùa hè cũng ảnh hưởng khá nhiều đến sức khỏe của người lao động

g) Về mặt môi trường, các mỏ lộ thiên thường gây nhiều tác động xấu, làm suy giảm chất lượng không khí, đất, nước, cảnh quan khu vực, hơn so với khai thác hầm lò Khai thác lộ thiên thường chiếm diện tích lớn đất đai (để mở khai trường và làm bãi thải), làm biến dạng địa hình, địa mạo, cảnh quan khu vực Các bãi thải ở phía nam của các mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu

đã vùi lấp hàng trăm hecta đất đai trồng trọt hai bên Quốc lộ 18 ở khu vực phía đông thị xã Cẩm Phả và buộc phải di chuyển Quốc lộ 18 xuống sát mép biển Mặt khác nữa, khối lượng đất đá thải của mỏ lộ thiên rất lớn, thường trôi dạt xuống phía dưới hạ lưu, gây bồi lấp các nguồn nước chảy, trôi lấp diện tích cây rừng, sa mạc hoá đất đai canh tác,làm ô nhiễm nguồn nước, Các khí độc hại và bụi do nổ mìn, do hoạt động của các động cơ chạy điêzen phát thải vào không khí, làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của cộng đồng dân cư quanh vùng và xa hơn, là góp phần làm gia tăng khí nhà kính của trái đất

1.1.3 Những khoáng sản được khai thác bằng phương pháp KTLT

Thiết bị mỏ ngày càng được cải tiến, tổ chức công tác trên mỏ ngày càng được hoàn thiện làm cho giá thành khai thác ngày càng hạ đã cho phép mở rộng phạm vi áp dụng phương pháp khai thác lộ thiên Phạm vi ứng dụng của KTLT chủ yếu đối với khoáng sản lộ ra mặt đất, bị vùi lấp không sâu; có điều kiện địa chất phức tạp; những khoáng sàng nguy cơ về nổ bụi, khí nổ và tự cháy; với khoáng sàng ngập nước và bị vùi lâp dưới nước

Tuy nhiên mức độ hiệu quả của phương pháp KTLT phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của vỉa như chiều dày, góc cắm, chiều dầy lớp đất phủ và tính chất cơ lý của nó; điều kiện về địa hình, địa chất thuỷ văn và khí hậu Các đặc trưng cấu tạo của khoáng sàng bao gồm:

a) Địa hình: bình nguyên, sườn dốc, đỉnh núi, đồi mấp mô Vứa nằm trên đỉnh núi, bên

sườn núi chỉnh hợp hoặc không chỉnh hợp với địa hình (Hình 1.1 - a, b, k, m, n, l)

b) Vị trí vỉa: trực tiếp lộ ra ngoài hay bị phủ một lớp đất không dầy lắm (Hình 1.1- c, d,

k, n, l) Những khoáng sàng kiểu hỗn hợp (nằm trên núi và dưới sâu) thường được KTLT ở phần trên còn phần dưới thì khai thác bằng phương pháp hầm lò

c) Góc cắm của vỉa: gọi là vỉa dốc thoải khi góc cắm của vỉa   10o, vỉa dốc xiên khi

=1030o, vỉa dốc đứng khi  30o

d) Chiều dày của vỉa: vỉa mỏng nếu tiến hành khai thác bằng một tầng; vỉa trung bình

nếu tiến hành khai thác bằng hai tầng hoặc 2 phân tầng; vỉa dày nếu khai thác bằng từ ba phân

tầng trở lên

e) Hình dáng của vỉa: vỉa có kích thước theo phương và độ dốc lớn trong khi chiều dày

của nó không lớn lắm: dạng vỉa, dạng tấm, dạng mạch; vỉa có kích thước gần giống nhau theo mọi hướng: dạng khối, dạng ổ, dạng thấu kính; vỉa có kích thước dài theo một phương gọi là

dạng ống

Hình 1.1 Những dạng thế nằm chủ yếu của khoáng sản f) Cấu tạo của vỉa: Vỉa gọi là đơn giản nếu nó có cấu tạo đồng nhất, không có các lớp

đá kẹp xen kẽ Trường hợp đó, dùng phương pháp khai thác không chọn lọc và tiến hành bóc

toàn bộ chiều dày của vỉa

Vỉa gọi là phức tạp khi có uốn nếp mạnh, có nhiều đứt gãy kiến tạo, vỉa có hướng cắm

và góc cắm thay đổi mạnh trong phạm vi một khai trường,… Vỉa phức tạp nếu nó chứa các loại khoáng sản khác nhau, chất lượng khác nhau (đúng tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn), xen kẽ

đá kẹp thì phải dùng phương pháp khai thác chọn lọc để tách riêng từng KSCI có hàm lượng đúng tiêu chuẩn và đất đá làm bẩn Việc khai thác chọn lọc theo từng loại KSCI được tiến hành trên cơ sở thăm dò khai thác chi tiết

Những yếu tố kể trên có ảnh hưởng quyết định đến việc lựa chọn quy trình công nghệ,

kỹ thuật và thiết bị để tiến hành khai thác

1.2 Khái niệm về khoáng sản có ích và chất lượng của chúng

1.2.1 Khoáng sản có ích

Khoáng sản có ích (KSCI) là những tài nguyên thiên nhiên, có nguồn gốc thạch học từ lòng đất, có thể khai thác và chế biến một cách hiệu quả để sử dụng vào những mục đích khác nhau của Con Người

Ngày nay khái niệm KSCI không chỉ dùng cho những tài nguyên khai thác từ lòng đất,

mà còn mở rộng cho những tài nguyên thiên nhiên lắng đọng từ đáy biển và thềm lục địa (như các kết hạch sắt, mangan, titan…), cho các chất hoà tan trong nước và cho bản thân nước nữa Khái niệm về KSCI cũng mang tính chất tương đối Đất sét, đá vôi là các KSCI trong công nghiệp xi măng, nhưng khi chúng nằm lẫn trong đất đá phủ trên các vỉa khoáng sản khác thì chúng là đá thải Bản thân đất đá phủ của một mỏ khoáng sản nào đó khi được sử dụng vào mục đích có lợi như san nền, lấp ao hồ, đem nung vôi (nếu là đá vôi), rải đường, làm vật liệu

đổ bê tông,… thì chúng cũng được coi như một KSCI và được đưa vào bảng cân đối khi làm

kế hoạch sản xuất của xí nghiệp mỏ Một loại khoáng sản nào đó trong điều kiện tự nhiên và

kỹ thuật mỏ này được coi là KSCI, nhưng trong điều kiện tự nhiên và kỹ thuật mỏ khác thì lại được coi là đất đá thải khi không thể khai thác và sử dụng chúng có hiệu quả về mặt kinh tế Khoáng sản apatit loại III có hàm lượng 712 % P2O5 của Lào Cai là một ví dụ cho trường hợp nói trên

Vậy thì bản chất tự nhiên (thành phần hoá học, thạch học, tính chất cơ lý,…) nào đó chưa đủ để kết luận nó là KSCI hay không mà còn phải kèm theo khả năng khai thác và sử

dụng chúng nữa Do vậy, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nói chung, của Ngành Mỏ (kỹ thuật khai thác, chế biến) nói riêng, danh mục các KSCI ngày càng nhiều lên về số lượng và phong phú thêm về chủng loại Để thuận tiện trong sử dụng và ngắn gọn về mặt tin học, đôi khi người ta gọi tắt KSCI là khoáng sản

Thông thường người ta phân loại KSCI thành khoáng sản kim loại,khoáng sản phi kim loại và khoáng sản làm nhiên liệu

* Các khoáng sản kim loại bao gồm:

- Quặng kim loại đen: chứa các kim loại sắt (Fe), mangan (Mn), crôm (Cr), titan (Ti),…

- Quặng kim loại mầu: chứa các kim loại đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn), nhôm (Al), thiếc (Sn), niken (Ni), antimon (Sb),…

- Quặng kim loại quý: chứa các kim loại vàng (Au), bạc (Ag), platin (Pt),

- Quặng kim loại phóng xạ: chứa các kim loại uran (U), thori (Th),…

- Quặng kim loại hiếm và nhẹ: chứa các kim loại ziricôni (Zr), niobi (Nb), gecmani (Ge), scandi (Sc), cadimi (Cd), hafini (Hf), tantali (Ta), bêrili (Be), liti (Li),…

* Các khoáng sản phi kim loại bao gồm:

- Vật liệu xây dựng: đá vôi, đá granit, sét, cát, sỏi,…

- Nguyên vật liệu cho luyện kim: đá vôi (CaCO3), đôlômit (CaCO3.MgCO3), fluôrit (CaF2), grafit (than chì), đất chịu lửa, cao lanh, manhêgit (MgCO3),…

- Nguyên liệu cho công nghiệp hóa và thực phẩm: phốtphorit, apatit, lưu huỳnh, pyrit, muối khoáng,…

- Nguyên liệu cho công nghiệp khác: amian, sợi đá, tan (hoạt thạch), barit, kim cương, mica, silic, pecmatit, côrinđôn (Al2O3),…

* Khoáng sản nhiên liệu: bao gồm than bùn, than nâu, than đá, diệp thạch cháy, dầu mỏ,

khí đốt

1.2.2 Chất lượng của khoáng sản có ích

Khi đề cập đến một loại KSCI nào đó thì điều kiện đầu tiên phải nói đến đó là chất lượng của nó Tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng của KSCI là khác nhau cho từng chủng loại

và từng mục đích sử dụng Đối với than, tiêu chuẩn chất lượng là độ tro, độ ẩm, nhiệt năng,…; đối với khoáng sản khác là thành phần khoáng vật, hàm lượng, thành phần có ích, có hại và một số tính chất khác Đá vôi khi dùng để rải đường thì cần quan tâm đến tính chất cơ

lý của nó như sức bền kháng nén, hệ số hút nước, hệ số biến mềm,… nhưng khi dùng để sản xuất cacbua - canxi thì phải chú ý tới thành phần hóa học của nó

Một cách khái quát người ta có định nghĩa: chất lượng của một loại KSCI nào đó là tổng

hợp các tính chất xác định về mức độ thuận lợi và hiệu quả kinh tế khi sử dụng nó cho một mục đích nhất định

Chất lượng của KSCI được biểu thị trong hai nhóm: có ích và có hại Trong khoáng sản manhêtit, hàm lượng Fe3O4 là thuộc nhóm chất lượng có ích, còn hàm lượng lưu huỳnh, phôt pho là thuộc nhóm có hại

Người ta phân chất lượng KSCI thành chất lượng tuyệt đối và chất lượng tiêu thụ Chất lượng tuyệt đối được đặc trưng bằng tổng hợp các chỉ tiêu có tính chất khách quan như thành phần hoá học, tính chất cơ lý, đặc trưng công nghệ,… chất lượng tiêu thụ của KSCI được đặc trưng bởi một hay một số chỉ tiêu nào đó theo yêu cầu sử dụng

Thí dụ: đối với đá vôi khi dùng rải nền đường sắt, người ta quan tâm đến độ cứng và độ mài mòn, khi dùng để nung vôi thì hàm lượng CaCO3 là chỉ tiêu cơ bản, khi dùng để trang trí thì hình thức đường vân, màu sắc và khả năng mài bóng là chỉ tiêu hàng đầu

Để đánh giá chất lượng KSCI người ta thường dùng chỉ tiêu chất lượng tổng hợp, trong

đó có kể đến ảnh hưởng của thành phần có ích cũng như có hại đối với giá trị chung của sản phẩm cuối cùng:

G

bqa

qq

n 1

m 1 j j i

i

 (1-1)

Trong đó: qi ; qj - chỉ tiêu chất lượng thực tế của thành phần có ích thứ i và có hại thứ j trong khoáng sản có ảnh hưởng đến giá trị sản phẩm cuối cùng với tỷ lệ tương ứng ai và bj; G

- giá trị của sản phẩm cuối cùng Các giá trị ai và bj được xác định bằng phương pháp thống kê trên cơ sở các chỉ tiêu chất lượng các thành phần riêng biệt đối với giá thành sản phẩm cuối cùng

Thí dụ: sau khi phân tích giá thành gang phụ thuộc vào hàm lượng sắt (Fe) và các tạp chất khác lẫn trong khoáng sản người ta thấy ảnh hưởng của chúng đối với giá thành theo các

tỷ trọng tương ứng như sau: SiO2 - 26 %; lưu huỳnh - 7,7 %; phôtpho - 5,1 % và oxit nhôm - 3,2 % thì khoáng sản này có chỉ tiêu chất lượng tổng hợp là:

G

q03,0q05,0q08,0q,0q58

Khi giảm hàm lượng sắt trong khoáng sản sắt chứa silic xuống 1 % thì năng suất của lò cao giảm 45 % và tiêu hao cốc tăng 2,7 %

Lưu huỳnh và phốtpho là những tạp chất có hại Khi nấu khoáng sản trực tiếp thì hàm lượng lưu huỳnh không quá 0,20,3 %, khi qua thiêu kết là dưới 3 %

Hàm lượng phốtpho trong khoáng sản khi dùng cho lò Besme không quá 0,03 %, cho lò Mactanh 0,15 %, còn cho lò Tomát 0,81,2 %

Độ ẩm cho phép tuỳ thuộc vào loại khoáng sản và bằng 533 %, kích thước cỡ hạt

5150 mm, tỷ lệ bột khoáng sản không lớn hơn 1030 %

Khoáng sản có chứa chất kiềm (CaO và MgO) làm tăng hiệu quả của lò cao, do giảm được tiêu hao các chất trợ dung

1.3.2 Khoáng sản mangan

Khoáng sản mangan dùng trong công nghiệp luyện kim đen và màu, để chế tạo thép cácbon, thép đặc biệt, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của mangan khi dùng luyện kim là thành phần hoá học của nó Khoáng sản oxit mangan chứa 1940 % Mn, 45 % SiO2, 0,10,3 P,

524 % CaO Nếu là khoáng sản sắt-mangan dùng cho luyện kim không qua tuyển thì hàm lượng sắt và mangan trong khoáng sản không được nhỏ hơn 4050 %

1.3.3 Khoáng sản đồng

Khoáng sản đồng trong công nghiệp luyện kim màu, dùng để chế tạo đồng nguyên chất

và các hợp kim của nó Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của khoáng sản đồng là hàm lượng đồng (Cu), thành phần khoáng vật, độ cứng và thành phần cỡ hạt Khoáng sản có hàm lượng đồng lớn hơn 2 % thì được gọi là giàu Khoáng sản có chất lượng trung bình hàm lượng chứa trên 1

% đồng Khoáng sản chứa từ 0,71 % đồng là khoáng sản nghèo Khi hàm lượng dưới 0,7 % thì gọi là khoáng sản rất nghèo

Trong các loại khoáng sản đồng công nghiệp thì các loại khoáng sản đồng đa kim đồng - chì - kẽm và đồng-niken là có giá trị công nghiệp lớn hơn cả

1.3.4 Khoáng sản đa kim chì - kẽm

Trong khoáng sản này thường chứa bạc đồng, thiếc, coban, cátmi, vàng và một số thành phần khác Theo thành phần có ích người ta chia ra làm 5 loại chính: kẽm, chì-kẽm, đồng-chì-kẽm, thiếc-chì-kẽm và asen-chì-kẽm

Khoáng sản chứa trên 4 % chì hoặc 47 % chì kẽm được gọi là khoáng sản giàu Gọi là khoáng sản nghèo khi chứa 1,22 % kẽm hoặc dưới 4 % chì-kẽm Khi tỷ lệ giữa chì và kẽm

từ 1/5 đến 1/2 thì tổng hàm lượng của chúng trong khoáng sản đa kim không được dưới 3 %

1.3.5 Khoáng sản nhôm

Khoáng sản nhôm chủ yếu trong công nghiệp là bauxit Bauxit làm nguyên liệu ban đầu

để chế tạo oxit nhôm (Al2O3), sau đó dùng phương pháp điện phân để thu hồi nhôm nguyên chất

Chỉ tiêu chất lượng của khoáng sản nhôm là hàm lượng Al2O3 trong bauxit không dưới

28 %, các tạp chất có hại là oxit silic, canxit, đôlômit, siđêrit, pyrit,…, bauxit dùng để sản xuất vật liệu chịu lửa phải chứa trên 46 % Al2O3

1.3.6 Than đá

Khoảng 70 % than đá khai thác được dùng làm nhiên liệu Phần còn lại dùng vào việc luyện cốc, chế tạo sản phẩm tổng hợp, khí than,…

Đặc trưng chất lượng của than là các chỉ tiêu: hàm lượng cácbon, oxy, nitơ, độ tro, độ

ẩm, tỷ lệ chất bay hơi khi nung, hàm lượng lưu huỳnh, nhiệt lượng, tính thiêu kết, trọng lượng riêng, độ nóng chảy của tro

Chất lượng của than được quy định bởi sự phân loại công nghiệp và tiêu chuẩn tiêu thụ Thí dụ, đối với than đá là tỷ lệ chất bay hơi và tính thiêu kết; đối với than antraxit là tỷ lệ chất bay hơi và nhiệt năng; đối với than bùn là hàm lượng cácbon và độ ẩm, Bảng 1.1 cho thấy chất lượng than của hai vỉa chính ở mỏ Cọc Sáu

Bảng 1.1 Chất lượng than của vỉa dày và vỉa G mỏ Cọc Sáu

Vỉa than

Các chỉ tiêu chất lượng Độ ẩm

(W, %)

Chất bốc (V, %)

Nhiệt lượng (Q, kcal/kg)

Lưu huỳnh (S, %)

Độ tro (A, %) Vỉa dày

Vỉa G

12,53 9,27

2,35 1,89

5,85 6,82

8476

8367

0,42 0,40

1.3.8 Đá vôi

Đá vôi là nguyên liệu phổ biến dùng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: Xây dựng (sản xuất vôi và ximăng), luyện kim (chất trợ dung), hoá chất (chế tạo axêtylen, amôniắc, nước đá khô, phân bón,…), giao thông vận tải…

Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của đá vôi là tính chất cơ lý (độ mài mòn, độ cứng, độ bền nén, độ ngậm nước, hệ số biến mềm, trọng lượng riêng,…) và thành phần hoá học của nó

Bảng 1.2 Giới thiệu chỉ tiêu tổng hợp của đá vôi Việt Nam

Khối lượng

riêng (t/m3)

Tỷ trọng Độ rỗng (%)

Độ ngậm nước (%) biến mềm Hệ số

Sức kháng nén, MPa Khô No nước 2,662.96 2,71 1,21,25 0,20,4 0,750,9 4375 53

Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của đá vôi là tính chất cơ lý (độ mài mòn, độ cứng, độ bền nén, độ ngậm nước, hệ số biến mềm, trọng lượng riêng,…) và thành phần hoá học của nó Khi dùng để rải đường người ta quan tâm tới các chỉ tiêu độ bền nén (> 4060 MPa), hệ

số hút nước ( 3 %), hệ số biến mềm (0,60,7), trọng lượng riêng (< 2,1 t/m3)… Khi dùng sản xuất cacbua canxi thì hàm lượng CaO > 53 %, SiO2 < 1,5 %, Mg < 1,0 %, SO3  1,0 %,…

Bảng 1.3 Giới thiệu các chỉ tiêu về hàm lượng và cỡ hạt

1.3.9 Đất sét chịu lửa và cao lanh

Đất sét chịu lửa và cao lanh dùng để sản xuất các vật liệu chịu lửa, làm các lớp đệm lót trong các lò luyện kim Chỉ tiêu chất lượng của nó là thành phần hoá học, thành phần khoáng vật (hàm lượng Al2O3, silic, sắt, titan, chất kiềm…) nhiệt độ nóng chảy

Trong khai thác mỏ, đất đá mỏ là tập hợp tự nhiên các khoáng vật từ vỏ trái đất bao quanh và nằm lẫn trong thân khoáng mà phải loại bỏ trong quá trình khai thác để thu hồi KSCI

Theo nguồn gốc thành tạo, người ta phân chia đất đá mỏ thành: đá macma, đá trầm tích và đá biến chất

Đá macma là những đá được thành tạo do sự đông cứng của dung nham nóng chảy từ lòng đất phun ra ngoài hoặc nằm lại trong vỏ trái đất, bao gồm 2 loại: đá xâm nhập và đá phun trào Một số đá xâm nhập thường gặp như granit, sienit, điôrit, gabrô, đá phun trào như trachit, bazan, điaba,

Đá trầm tích là những đá được tạo thành do sự lắng đọng của các sản phẩm phá huỷ của các đá có trước dưới tác dụng ngoại sinh và qua quá trình lèn nén (lý học) và xi măng hoá (hoá học) Các đá trầm tích thường gặp trong khai thác mỏ như đá vôi, đôlômit, cát kết, dăm kết, thạch cao, laterit,

Đá biến chất là sản phẩm của sự biến đổi các đá macma và trầm tích dưới tác dụng của các quá trình nội sinh (nhiệt độ và áp suất) xảy ra ở các độ sâu khác nhau trong vỏ trái đất Các đá biến chất thường gặp trong khai thác mỏ như quaczit, cẩm thạch (còn gọi là đá hoa - marble), gơnai,

1.4.1 Đặc điểm chung của đất đỏ mỏ

Đỏ macma xõm nhập thường nằm sõu trong vỏ trỏi đất chịu ỏp lực lớn của cỏc lớp đỏ nằm trờn và quỏ trỡnh nguội từ từ, do vậy mà thường cú cấu trỳc tinh thể lớn, đặc sớt, cú mật

độ lớn, cường độ khỏng nộn cao, ớt hỳt nước

Đỏ macma phỳn xuất được phun trào lờn trờn mặt đất, đụng cứng nhanh trong điều kiện nhiệt độ và ỏp suất thấp, làm cho cỏc khoỏng khụng kịp kết tinh, hoặc chỉ kết tinh được một

bộ phận với kớch thước tinh thể bộ, chưa hoàn chỉnh, phần lớn cũn lại tồn tại ở dạng vụ định hỡnh, cỏc chất khớ và hơi nước khụng kịp thoỏt ra, để lại nhiều lỗ rỗng làm cho đỏ xốp và nhẹ Căn cứ và hàm lượng oxit silic, đỏ macma được chia ra thành cỏc loại: macma axit (SiO2 > 65 %), macma trung tớnh (SiO2 = 6555 %), macma bazơ (SiO2 =5545 %) và macma siờu bazơ (SiO2 < 45 %)

Đỏ trầm tớch được tạo thành từ quỏ trỡnh lắng đọng cỏc sản phẩm phong hoỏ của cỏc đỏ

cú trước, trải qua cỏc thời kỳ địa chất dưới tỏc động của ỏp suất và quỏ trỡnh hoỏ học mà chỳng tạo thành từng lớp rừ rệt và cú chiều dày, mầu sắc, cỡ hạt, độ bền, khỏc nhau tuỳ theo thành phần cấu tạo Độ bền nộn của đỏ trầm tớch, theo phương vuụng gúc với cỏc lớp luụn lớn hơn so với độ bền nộn theo phương song song với lớp Đỏ trầm tớch thường cú độ khỏng nộn thấp hơn, độ hỳt nước cao hơn và dễ gia cụng hơn so với đỏ macma

Tớnh chất của đỏ biến chất do tỡnh trạng biến chất và thành phần của đỏ gốc quyết định

Đỏ biến chất từ macma do tỏi kết tinh và sắp xếp lại cấu trỳc dạng phiến (trừ đỏ hoa và quaczit) nờn thường yếu hơn cỏc đỏ gốc tạo ra chỳng, trong khi đú thỡ quỏ trỡnh tỏc động của

ỏp lực và sự tỏi kết tinh lại làm cho cỏc đỏ biến chất từ dỏ trầm tớch trở nờn cú độ bờn cao hơn

so với đỏ gốc Tỏc dụng biến chất khụng chỉ làm thay đổi cấu trỳc của đỏ mà cũn làm thay đổi thành phần khoỏng vật của đỏ

1.4.2 Đặc trưng cụng nghệ của đỏ cứng và cứng vừa

Đất đỏ thuộc loại cứng bao gồm phần lớn cỏc đỏ biến chất, cỏc đỏ phỳn xuất và một phần cỏc đỏ trầm tớch như thạch anh, granit, cỏc đỏ bazan, gabrụ, cỏt kết (sa thạch) silic, cuội kết (cụnglụmờrat), cú giới hạn bền nộn một trục mẫu bóo hoà nước là 2050 MPa Đất đỏ thuộc loại cứng vừa bao gồm cỏc đỏ phỳn xuất và biến chất bị phong hoỏ, cỏc đỏ trầm tớch nguyờn sinh như đỏ phiến sột, đỏ phiến sột thạch pha cỏt, sa thạch - vụi, dăm kết, alờvrụlit, Giới hạn bền nộn một trục trờn mẫu bóo hoà nước của đất đỏ cứng vừa là đặc trưng cụng nghệ của đất đỏ cứng và cứng vừa là phải làm tơi sơ bộ trước khi xỳc búc

Theo mức độ nứt nẻ, người ta phõn đất đỏ cứng và cứng vừa thành 5 loại (Bảng 1.4)

Bảng 1.4 Phõn loại đất đỏ theo mức độ nứt nẻ trong nguyờn khối

Cấp

nứt nẻ

Mức độ nứt nẻ

Khoảng cỏch trung bỡnh cỏc

kẽ nứt, cm

Số khe nứt

Ít 100 150 1 0,65 100 80100 40100 Nguyờn khối > 150 < 0,65 100 100 100

1.4.3 Đặc trưng công nghệ của đá tơi vụn

Do kết quả của nổ mỡn, hoặc phỏ vỡ bằng cơ giới hay bởi cỏc lực tự nhiờn khỏc (sụt lở, phong hoỏ, ) đỏ cứng trở thành tơi vụn và do vậy sẽ thuận lợi cho việc xỳc búc và vận chuyển chỳng Cỏc đặc trưng cụng nghệ của đỏ tơi vụn là độ dớnh kết, cỡ hạt và độ bền trong mẫu của chỳng Theo độ dớnh kết, người ta phõn đỏ tơi vụn làm 3 cấp:

Cấp I: Đỏ ở dạng rời, cú nhiều khe hở khụng khớ xen giữa cỏc cục đỏ Khi đắp đống, đỏ

cú xu hướng lăn và tạo thành sườn dốc rừ nột Hệ số nở rời Kr 1,41,65

Cấp II: Đá ở dạng rời - hơi dính kết, có ít khe hở không khí xen kẽ Khi đắp đống không

có sườn dốc rõ nét, Kr = 1,21,3

Cấp III: Đá bị phá vỡ nhưng không hoàn toàn tách khỏi nhau Độ nứt nẻ tăng lên nhưng vẫn duy trì được sự dính kết giữa chúng Đống đá có sườn dốc thẳng đứng, Kr = 1,031,05 Theo cỡ hạt, đá được phân làm 5 cấp (Bảng 1.5)

Bảng 1.5 Phân loại đất đá theo cỡ hạt

1.4.4 Đặc trưng công nghệ của đá đặc sít, mềm và bở rời

Đá đặc sít bao gồm đất sét cứng, đá phấn, diệp thạch sét, diệp thạch vôi,

Độ bền nén một trục 520 MPa Ở nguyên khối chúng có thể duy trì được độ dốc tới

6070o với chiều cao 1012 m Với các thiết bị xúc bóc có lực cắt lớn hơn 0,30,4 MPa thì có thể xúc trực tiếp mà không cần làm tơi sơ bộ Góc nội ma sát bằng 1635o Lực dính kết 0,54 MPa

Đất đá mềm bao gồm các loại sét pha, cát pha, các đá biến chất hoặc phún xuất đã bị phân huỷ, Giới hạn bền nén một trục là 15 MPa Góc nội ma sát 1423o Lực dính kết 0,051 MPa Giữ được sườn dốc 5070o với chiều cao 515 m Có thể xúc bóc trực tiếp với lực cắt không nhỏ hơn 0,20,3 MPa Khi khô sẽ trở thành đá cứng vừa, nhưng khi gặp nước

sẽ bị trương nở và mềm trở lại

Đất đá chứa sét không đặc sít có độ bền nén không lớn hơn 1 MPa Góc nội ma sát nhỏ hơn 10o Lực dính kết không quá 0,05 MPa Loại đất này có độ ẩm cao, dễ thấm rã, khó tháo khô, đặc biệt không ổn định trong tình trạng bão hoà nước

Đất đá mềm tơi như sét, cát pha sét, bị mất lực dính kết tự nhiên nhưng khi trong khối lượng lớn thì lực dính kết có thể tăng lên 1530 % Mật độ và lực dính được tăng lên trong điều kiện độ ẩm không quá lớn, không có dòng nước ngầm và được đắp đống cao trong thời gian dài

Cát đồng nhất thuộc loại đá rời Góc dốc của chúng trong đống cũng như trong nguyên khối không vượt quá góc nội ma sát (1937o) Lực dính kết gần như không có Chỉ khi chúng nằm đông đặc và có độ hạt không đều thì lực dính kết mới đạt được dưới 0,030,05 MPa

1.5 Một số chỉ tiêu cơ lý của khoáng sản và đất đá mỏ

Tuỳ theo phương thức phá vỡ đất đá mà người ta sử dụng các chỉ tiêu khác nhau để biểu thị cho sức cản phá vỡ của đá

Mức độ khó phá vỡ tổng quát của đất đá được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

Pd = 0,05Kn (n + c + k) + 0,5 (1-3) Trong đó: Kn - hệ số kể đến độ nứt nẻ của đất đá; n, c, k - ứng suất kháng nén, kháng cắt và kháng kéo của đất đá, MPa;  - khối lượng riêng của đất đá, t/m3

Theo hình thức đánh giá trên, đất đá mỏ được chia thành 5 cấp (I, II, III, IV và V) và 25 loại (1, 2, 3, và 25) với mỗi cấp có 5 loại tính từ dễ đến khó, theo mức độ khó đập vỡ Pd,

Bảng 1.6 giới thiệu cách phân loại đất đá theo các phương thức phá vỡ nói trên Thực tế, với

một loại đất đá cụ thể có thể có cấp và loại khác nhau trong khi đánh giá mức độ khó phá vỡ tổng quát, mức độ khó khoan và mức độ khó nổ

Tương tự, người ta phân loại đất đá theo mức độ khó xúc khi xúc đất đá trong nguyên khối theo công thức nghiệm sau:

022,

r

o o

K

A

A  (1-5) Trong đó:  - hệ số làm yếu cấu trúc của đất đá trong nguyên khối theo hướng xúc ;

Máy xúc gàu treo 1,05  1,25 Máy xúc nhiều gàu kiều xích 1,4 1,9

Mức độ khó xúc Pxn và Pxt được chia thành 10 cấp với 30 loại theo mức độ từ dễ đến khó

1.5.2 Khối lượng thể tích, khối lượng riêng

Khối lượng thể tích của đất đá là khối lượng của một đơn vị thể tích loại đất đá đó, được biểu thị bằng g/cm3 hoặc kg/m3 hoặc tấn/m3

Khối lượng riêng (hay còn gọi là mật độ khối lượng) của đất đá là đại lượng đo bằng thương số giữa khối lượng nguyên chất của loại đất đá đó và thể tích mà nó chiếm chỗ Khối lượng riêng được biểu thị bằng g/cm3 hoặc kg/m3 hoặc tấn/m3

1.5.3 Tỷ trọng

Tỷ trọng là tỷ lệ giữa khối lượng riêng của một chất nào đó so với khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ 4oC và áp suất 1 at Chính vì vậy tỷ trọng không có thứ nguyên

1.5.4 Trọng lượng thể tích, trọng lượng riêng

Trọng lượng thể tích của đất đá là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất đá loại đó Nó được xác định bằng tích số giữa khối lượng thể tích của loại đất đá đó với gia tốc trọng trường Trọng lượng thể tích được biểu thị bằng đơn vị N/m3

Tương ứng với khối lượng riêng của loại đất đá đó, ta có khái niệm trọng lượng riêng

1.5.5 Độ rỗng và chỉ số độ rỗng

Độ rỗng (n) của đá là tỷ số giữa thể tích rỗng (chiếm bởi không khí, nước, hoặc cả hai)

và thể tích của đá Đôi khi người ta cũng dùng chỉ tiêu độ đông đặc (1-n) để đánh giá chất lượng của đất đá Ngoài ra người ta dùng chỉ số độ rỗng (e), tức là tỷ số giữa thể tích các lỗ rỗng (Vv) và thể tích của phần vật chất đặc sít (Vg) trong đá (Hình 1.2)

g

vV

Vn

vVV

Ve

enhay

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

Hình 1.2 Sơ đồ xác định

chỉ số độ rỗng của đất đá

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

.

.. .

.

.

Hình 1.3 Sơ đồ xác định

độ ngậm nước của đất đá

1.5.6 Hàm lượng nước và độ ngậm nước

Hàm lượng nước và độ ngậm nước: hàm lượng nước (St) biểu thị cho lượng nước chứa trong đá, tính bằng tỷ số giữa thể tích bị nước chiếm dụng và thể tích của toàn bộ lỗ rỗng (Vt):

St = Vn/Vt ; tức là khi đá hoàn toàn khô, ta có St = 0 và khi đá no nước, St = 1 Còn độ ngậm nước () được đặc trưng bởi tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong khối đá (Pn) và trọng lượng khô của vật liệu (Pđ) tạo nên khối đá đó (Hình 1.3)

g

n t đ

Đường kính trung bình của cỡ hạt được xác định theo biểu thức:

n

n.d

Trong đó: di - cấp đường kính trung bình thứ i, mm; ni - tỷ lệ các hạt có cấp đường kính trung bình di trên một đơn vị chiều dài, đơn vị diện tích hay đơn vị thể tích đo ngẫu nhiên trong đống đá

Câu hỏi ôn tập chương 1

1 Phân tích ưu nhược điểm các thang phân loại sức cản phá vỡ đất đá của Prôtôđiacônôv và Rjevxki và điều kiện sử dụng chúng!

2 Chỉ tiêu cỡ hạt trung bình của đá thường được sử dụng trong trường hợp nào? Trên thực tế, có bao nhiêu phương pháp xác định chỉ tiêu này?

3 Hãy phân tích những đặc điểm của khai thác lộ thiên so với khai thác hầm lò

5 Chất lượng của khoáng sản có ích được đặc trưng bằng những chỉ tiêu nào ? Nêu một

7 Thế nào là độ rỗng của đất đá? Ý nghĩa của nó trong thực tế sản xuất?

8 Thế nào là độ ngậm nước của đất đá? Ý nghĩa của nó trong thực tế sản xuất?

Chương 2 CÔNG NGHỆ KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN

2.1 Khái niệm về khai thác lộ thiên

Khai thác lộ thiên là một hoạt động công nghệ nhằm thu hồi KSCI từ lòng đất (bao gồm dưới và trên mặt đất) bằng các công trình mỏ tiến hành ngoài trời theo một trình tự xác định Nơi tiến hành các hoạt động nói trên gọi là mỏ lộ thiên hay khai trường lộ thiên (gọi tắt

là khai trường) Khai trường có thể khai thác một hoặc đồng thời nhiều loại khoáng sản trên một phần hay toàn bộ một khoáng sàng

Trong mỏ lộ thiên, tầng là yếu tố cơ bản Tầng có mặt tầng, mép tầng, sườn tầng, chân tầng Tầng có thể chia thành phân tầng Thông số cơ bản của tầng là chiều rộng mặt tầng (B), chiều cao tầng (h) và góc nghiêng sườn tầng () Trên hình 2.1 giới thiệu các thành phần cơ bản của mỏ lộ thiên: 12 - biên giới phía trên của khai trường; 14 và 23 - bờ kết thúc của mỏ;

34 - biên giới theo chiều sâu của mỏ; 27 - bờ không công tác; 5- tầng không công tác; 6- tầng công tác; 8 - đai vận tải;  - góc nghiêng sườn tầng, độ; φ - góc nghiêng bờ công tác, độ; V,

T - góc kết thúc của bờ vách và bờ trụ, độ; Hc - chiều sâu kết thúc của mỏ, m; HK - chiều sâu đạt biên giới phía trên của mỏ, m;  - góc cắm của vỉa, độ

5 1

2

Hình 2.1 Các thành phần của mỏ lộ thiên

Tập hợp các tầng về một phía thì gọi là bờ mỏ Bờ mỏ trên đó có các tầng đang làm việc thì gọi là bờ công tác Trên bờ công tác có thể có một số tầng không làm việc hoặc đã ở vị trí kết thúc Bờ mỏ trên đó chỉ bao gồm các tầng không làm việc thì được gọi là bờ dừng, nếu ở

vị trí kết thúc (biên giới mỏ) gọi là bờ kết thúc

Góc tạo bởi đường xiên nối từ chân tầng thấp nhất tới mép tầng cao nhất và đường thẳng nằm ngang trên mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương vị của bờ ở vị trí cắt qua thì gọi là góc nghiêng bờ mỏ Góc nghiêng của bờ công tác gọi là góc bờ công tác () Góc nghiêng của bờ dừng gọi là góc bờ dừng hay góc bờ kết thúc ()

Vị trí không gian của mỏ lộ thiên ở thời điểm kết thúc mỏ gọi là biên giới mỏ Biên giới mỏ phía trên là vị trí cuối cùng của bờ mỏ ở thời điểm kết thúc trên mặt đất Chiều sâu cuối cùng của mỏ (Hc) là chiều sâu tương ứng với vị trí đáy mỏ ở thời điểm mỏ kết thúc khai thác

2.2 Các giai đoạn khai thác mỏ lộ thiên

Để khai thác một khoáng sàng bằng phương pháp lộ thiên phải tiến hành qua các giai đoạn sau:

a) Giai đoạn xây dựng mỏ: Tuỳ theo quy mô, điều kiện tự nhiên và kỹ thuật mà giai

đoạn này có thể kéo dài 23 năm hoặc hơn Nội dung công việc giai đoạn này là tháo khô mỏ, chuẩn bị mặt bằng (đánh rễ cây, di chuyển các công trình quan trọng ra khỏi phạm vi biên giới

mỏ, nắn sông suối,…), xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp (khu dân cư, văn phòng xí nghiệp, kho tàng, nhà xưởng, bunke, ) lắp đặt thiết bị (các thiết bị khai thác, xưởng sửa chữa, đường dây điện, đường dây thông tin, hệ thống khí ép,… và các thiết bị phụ trợ khác) và mở vỉa khoáng sàng (xây dựng hệ thống đường hào ra vào mỏ, tạo ra các tuyến công tác đầu tiên, bóc khối lượng đất đá ban đầu,…)

b) Giai đoạn đưa mỏ vào sản xuất và đạt sản lượng thiết kế: Trong giai đoạn này, mỏ

bắt đầu hoạt động kinh doanh với sản lượng ban đầu nhỏ hơn sản lượng thiết kế (theo một tỷ

lệ nhất định nào đó) Tiếp tục đầu tư bổ sung để hoàn thành nốt một số công trình như lắp đặt thêm thiết bị, mở thêm tuyến công tác, hoàn thiện xây dựng mặt bằng công nghiệp Giai đoạn này kéo dài cho tới khi hoàn tất các công việc xây dựng cơ bản và mỏ đạt được sản lượng thiết kế

c) Giai đoạn sản xuất bình thường: Đây là giai đoạn hoạt động sản xuất kinh doanh

chủ yếu của mỏ lộ thiên Thời gian của giai đoạn này tuỳ thuộc vào trữ lượng và quy mô sản xuất của mỏ Có thể trong suốt quá trình sản xuất của thời kỳ này, sản lượng khai thác quặng

và đất đá bóc của doanh nghiệp mỏ là không đổi (đối với các có tuổi thọ nhỏ, thường dưới

810 năm) hoặc thay đổi theo từng thời gian nhất định (đối với các mỏ có tuổi thọ lớn) cho phù hợp với điều kiện cụ thể về sản trạng của thân quặng và nhu cầu tiêu thụ của thị trường đối với loại khoáng sản đó

d) Giai đoạn kết thúc mỏ: Tận thu phần tài nguyên phần còn lại ở đáy mỏ và dưới các

trụ bảo vệ Tháo dỡ thiết bị, nhà xưởng Phục hồi đất đai trồng trọt, khắc phục các hậu quả gây ra do quá trình hoạt động của mỏ đối với môi trường sinh thái

2.3 Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên

Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên khá đa dạng, tuỳ theo loại khoáng sản, phương pháp mở vỉa, hệ thống khai thác và đồng bộ thiết bị sử dụng, Thông thường, trong sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên không bao gồm khâu tuyển khoáng mà chỉ có khâu gia công chế biến sơ bộ trên mỏ như sàng tuyển sơ bộ, nghiền đập, phân loại,

Sơ đồ tổng quát công nghệ khai thác lộ thiên được giới thiệu trên hình 2.2 Tùy theo điều kiện tự nhiên và kỹ thuật cụ thể mà đối với mỗi mỏ có một sơ đồ riêng của mình, mặc dù vậy, tất cả các sơ đồ đều tuân thủ theo nguyên lý ở sơ đồ hình 2.2

Khi khai thác các khoáng sản rắn, có đất đá phủ cứng, thì mọi quá trình sản xuất trong dây chuyền công nghệ đều tuân thủ gần đúng sơ đồ hình 2.2 Khi khai thác các khoáng sản ở dạng sa khoáng aluvi, đêluvi, êluvi,… thì khâu bóc đất đá phủ, khoan - nổ mìn, nghiền đập sẽ không có trong dây chuyền công nghệ

Khi khai thác than thì trong khâu thu hồi khoáng sản không có công đoạn khoan - nổ mìn; khâu gia công chế biến tại mỏ không có công đoạn nghiền đập

Khi khai thác đá xây dựng dạng núi cao, trong khâu mở vỉa khoáng sàng, công đoạn bóc một phần đất đá phủ được thay thế bằng các công việc bạt ngọn, xén chân tuyến; ở giai đoạn đầu tiên chỉ có thoát nước mỏ (bằng tự chảy) mà không cần tháo khô; không phải bóc đất phủ ở giai đoạn sau (có thải đá ở công đoạn loại bỏ tạp chất nhưng không đáng kể) Tuy nhiên trong khâu gia công chế biến tại mỏ thì phức tạp hơn do phải nghiền đập và sàng phân loại nhiều cấp để thu được các cỡ hạt như ý

Khi khai thác sét thì công đoạn khoan - nổ mìn, nghiền đập hầu như không xuất hiện trong dây truyền công nghệ (có thể có khâu đánh tơi khi phối liệu để làm nguyên liệu xi măng)

Trong sơ đồ công nghệ khai thác quặng, cũng có trường hợp khâu gia công chế biến tại

mỏ chỉ có sàng phân loại và rửa sơ bộ trước khi chở về nhà máy tuyển tinh chứ không có khâu nghiền đập, đất đá phủ có trường hợp có thể xúc bóc trực tiếp mà không cần khoan - nổ mìn, cũng tương tự như vậy đối với quặng

Trong khai thác than lộ thiên, một bộ phận khá lớn than nguyên khai có thể tiêu thụ trực tiếp mà không cần qua chế biến Phần còn lại phải qua chế biến loại bỏ tạp chất (hầu hết bằng nhặt thủ công trên băng tải) sau đó qua sàng để phân loại các loại than theo yêu cầu của chất lượng thương phẩm Một số trường hợp có công đoạn nghiền đập pha trộn để tận dụng các loại than có độ tro lớn và nhiệt lượng thấp

Giai đoạn Quy trình công nghệ Các khâu sản xuất

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động tổng quát của công nghệ khai thác mỏ lộ thiên

Đá xây dựng ở 2 miền Nam, Bắc nước ta có đặc điểm rất khác nhau Trong khi ở miền Bắc có tiềm năng về đá vôi rất lớn thì ở khu vực miền Nam chủ yếu chỉ có một số loại đá trầm tích có cường độ chịu lực lớn và một số không nhiều đá mắc ma; do đó công nghệ khai thác chúng cũng khác nhau

Đặc điểm của khai thác lộ thiên là thu hồi khoáng sản có ích trong lòng đất trực tiếp từ mặt đất, do vậy trước hết phải bóc hết lớp đất đá phủ ở trên và xung quanh thân quặng về mọi phía theo yêu cầu kỹ thuật

Đặc điểm của công nghệ khai thác đá xây dựng là khâu gia công chế biến chủ yếu nằm trên mỏ và thuộc mỏ quản lý, khâu này thường có nhiều công đoạn hơn so với ở các mỏ quặng và than, thông thường phải sử dụng quy trình sàng đập 2 hay 3 giai đoạn Khi tiến hành khai thác một khoáng sàng đá, khâu công tác đầu tiên là tháo khô và thoát nước mỏ Đối với hầu hết các mỏ khu vực phía Nam (Tà Thiết, Sroc Con Trăng, Đồng Lâm, các mỏ đá Đồng Nai, các mỏ đá Bình Dương,…) thì thoát nước tháo khô mỏ là khâu quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp tới phương pháp khai thác và hiệu quả làm việc của các khâu công tác tiếp sau Tuy nhiên, với các mỏ có dạng núi cao như ở khu vực phía Bắc (Hoàng Thạch, Chinh Fong, Phúc Sơn, Nghi Sơn, Bỉm Sơn,…) thì khâu này tương đối đơn giản, không tốn nhiều công sức lắm

XÂY DỰNG MỎ Chuẩn bị mặt

bằng dự án

Xây dựng công nghiệp

Vệ sinh thu dọn

Xây dựng Lắp đặt thiết bị San gạt

Mở vỉa khoáng sàng

Mở đường ra vào

mỏ và bãi thải Bóc một phần đất đá phủ

Tạo mặt bằng công tác đầu tiên

Tháo khô

và thoát nước mỏ

Bóc đất đá phủ

Thu hồi Khoáng sản

Khoan nổ Xúc bóc Vận tải Thải đá Loại bỏ tạp chất

Phân loại

Nghiền

®Ëp

Khoan nổ Xúc bóc Vận tải

Gia công chế biến tại mỏ Chất kho thành phẩm

Di dời Tháo khô

khumỏ

Hình 2.2.- Sơ đồ công nghệ khai thác tổng quát trên mỏ đ á

Khâu bóc đất phủ thường chỉ xẩy ra đối với các mỏ đá phía Nam Đất phủ trên các mỏ

đá hầu hết là mềm, có thể xúc bóc trực tiếp mà không cần làm tơi sơ bộ Trên các mỏ đá, khối lượng đất phủ không nhiều và thường được tận dụng vào các mục đích: san lấp, làm đường, đắp đê bao, nên khâu đổ thải thường không đáng kể

Đá xây dựng thường có độ cứng lớn, độ bền kháng nén (σn) có thể từ 50 đến 140 MPa hoặc hơn, do vậy để thu hồi chúng thì phải tiến hành làm tơi sơ bộ

Tuỳ theo mục đích sử dụng mà trước khi xuất cho các hộ tiêu thụ phải tiến hành gia công chế biến (đập, phân loại, làm sạch,…) Chất kho, thải loại tạp chất là khâu sản xuất cuối cùng trên mỏ đá (hình 3.1)

Trong khai thác sét cũng có trường hợp đất sét có kết cấu rắn chắc, không thể xúc trực tiếp, khi đó người ta thường sử dụng máy xới để làm tơi sơ bộ trước khi xúc

Khi khai thác titan ven biển thì công nghệ khai thác tương đối đơn giản, tuy nhiên khâu sàng tuyển (gia công chế biến) lại chiếm khối lượng công việc lớn nhất trong dây truyền công nghệ Khâu sàng tuyển nhằm mục đích loại bỏ rác rưởi (thường bằng sàng quay) và sau đó là tách cát ra khỏi các hạt quặng titan bằng hệ thống các bơm cát và các máy tuyển thuỷ lực vít xoắn (Hình 2.3) Khâu gia công chế biến cần có nguồn nước dồi dào

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ khai thác Titan ven biển

Xúc bóc

Vận tải

Thu hồi quặng

Tháo khô

và thoát nước mỏ Bóc đất phủ Thu hồi đá

Xúc bóc

Vận tải Thải đất

Sàng đập nhiều cấp

Phân loại

Xúc bóc

Vận tải Gia công chế biến tại mỏ

Chất kho thành phẩm Khoan nổ

Đất đá phủ thường có độ cứng rất lớn, do vậy trước khi bóc phải tiến hành đập vỡ và tách chúng ra khỏi nguyên khối Khối lượng đất bóc thường rất lớn do vậy phải vận chuyển chúng về bãi thải Quặng (khoáng sản có ích) thu hồi được có thể trực tiếp đưa về kho thành phẩm hoặc qua chế biến Tuy nhiên để thực hiện có hiệu quả các khâu trên cần tiến hành song song và kịp thời tháo khô và thoát nước mỏ Toàn bộ dây truyền công nghệ trên được biểu thị

ở hình 2.3, tương ứng với mỗi khâu ở dây truyền sản xuất có thể có nhiều phương tiện và hình thức khác nhau để tiến hành cơ giới hoá

2.4 Phương tiện cơ giới hoá các khâu công nghệ

2.4.1 Phương tiện cơ giới hoá khâu chuẩn bị đất đá

Ba khâu công nghệ cơ bản trong dây truyền sản xuất trên mỏ lộ thiên là chuẩn bị đất đá, xúc bốc và vận tải Phương tiện kỹ thuật dùng cho các khâu này rất phong phú và đa dạng, bao gồm các thiết bị khoan, chất nổ và phương tiện nổ, các loại máy xúc và các thiết bị phụ trợ có chức năng tương tự, các phương tiện vận tải, Các phương tiện thiết bị này ngày một hoàn thiện và phát triển, đặc biệt là vào nửa cuối thế kỷ XX

Để cơ giới hoá khâu chuẩn bị đất đá và quặng cho xúc bóc có thể dùng phương pháp

cơ giới (dùng máy xúc điều khiển sụt lở tự nhiên, dùng máy xới, máy ủi, máy nghiền đập - chất bốc), năng lượng chất nổ (máy khoan kết hợp với chất nổ và phương tiện nổ), thuỷ lực (súng bắn nước, ống thẩm thấu), vật lý (điện, siêu âm), hoá học (chất trương nở),.…

Về thiết bị khoan, có các loại máy khoan xoay, máy khoan đập - xoay, máy khoan xoay cầu,… Trên các mỏ lộ thiên có đất đá cứng chủ yếu dùng hai loại máy khoan đập - xoay và máy khoan xoay cầu

Đối với máy khoan đập - xoay, trong những năm gần đây đã có 2 cải tiến quan trọng đó

là thay thế đầu đập khí nén bằng đập thuỷ lực và đưa đầu đập xuống đáy lỗ khoan Việc thay thế đầu đập khí nén bằng đầu đập thuỷ lực đã làm tăng áp lực khoan từ 0,50,7 MPa lên

2530 MPa, nhờ đó tăng năng lượng một lần đập của pistông lên 5001000 J, tăng tần số đập lên 30005000 lần/phút Việc đưa đầu đập xuống đáy lỗ khoan (đối với khoan có đường kính khoan 89251 mm) là một tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo máy khoan, làm tăng hiệu quả năng lượng đập của pistông lên gương lỗ khoan 1,31,6 lần, khắc phục hiện tượng chệch hướng lỗ khoan, giảm nguy cơ kẹt mũi khoan, tốc độ khoan của loại máy khoan này trong đất đá cứng có thể đạt tới 60 m/giờ

Đối với máy khoan xoay cầu, nhiều hãng máy mỏ lớn hơn như Ingersoll-Rand, Erie, Tamrock, đã chế tạo được các máy khoan đường kính từ 160380 mm, khoan sâu đến

Busirus-55 m, có trang bị hệ thống tự động điều kiển chế độ khoan, hệ thống định vị toàn cầu GPS để xác định chính xác vị trí lỗ khoan Tốc độ khoan của máy DM-45/LP có thể đạt tới 42 m/h trong đá granít Đường kính máy khoan cầu 120A cũng của hãng P&H lên tới 387 mm, chiều sâu một cần khoan là 9,8 m,

Hình 2.4 Máy khoan thuỷ lực ROC F7 của Hãng Atlas - Copco

Các hãng chế tạo máy khoan của LB Nga như Buzuluxki, Voronhetxki, cũng đang cải tiến các loại máy khoan CБШ đã có theo hướng mở rộng đường kính lỗ khoan và nâng cao chiều sâu khoan Máy khoan xoay cầu - nhiệt CБШ-250 MHP đã được đưa vào sử dụng trên các mỏ sắt lộ thiên vùng KMA để khoan đất đá cứng sâu tới 19 m mà không phải nối cần, phần nạp thuốc được mở rộng tới 400 mm bằng mũi khoan nhiệt kèm theo Theo ý kiến của các chuyên gia mỏ của LB Nga, thì tương lai phải chế tạo các máy khoan xoay cầu có đường kính tới 450 mm hoặc lơn hơn và phải đạt được chiều sâu khoan 4560 m

Về chất nổ, bên cạnh sự phát chế ANFO (1954) một loại chất nổ dễ chế tạo, nguyên liệu phong phú có, sức công phá tốt, an toàn trong sản xuất, bảo quản và sử dụng, giá rẻ (bằng

70 % Amônít) và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường Năm 1960 các nhà khoa học đã phát chế thành công chất nổ ngậm nước (Watergel) có tỷ trọng tới 1,251,26 và sức công phá

320330 cm3 để nổ trong môi trường ngậm nước Tuy nhiên loại chất nổ này có nhược điểm

là đường kính tới hạn lớn (80 mm), tính ổn định hoá học kém và đắt tiền Để khắc phục các nhược điểm trên các nhà khoa học Mỹ đã nghiên cứu thành công chất nổ nhũ tương (Emusion Explosivex-1978) với những ưu điểm nổi bật như: tỷ trọng lớn 1,251,30; sức công phá

330340 cm3; có khả năng chịu nước tới 72 giờ; không gây ô nhiễm môi trường; có đường kính tới hạn nhỏ (32 mm), an toàn trong sản xuất, bảo quản và sử dụng, đặc biệt là từ khi chế tạo được các bong bóng thuỷ tinh (chất tăng nhậy nằm trong chất nổ nhũ tương) và giá rẻ hơn chất nổ ngậm nước Sự ra đời của chất nổ nhũ tương được đánh giá như một đột phá trong công nghiệp chế tạo chất nổ công nghiệp của thế kỷ XX

Hình 2.5 Xe nạp thuốc nổ nhũ tương đang làm việc

Để khởi nổ các lượng thuốc, năm 1970 Công ty Nitro-Nobel (Thụy Điển) đã chế tạo và đưa ra thị trường hệ thống kích nổ vi sai phi điện thay thế cho các phương tiện nổ truyền thống Sự kiện này được coi là một phát minh quan trọng nhất trong công nghệ nổ mìn của thế

kỷ XX Sử dụng phương tiện nổ phi điện có độ tin cậy và độ an toàn cao, cho phép thiết kế sơ

đồ nổ vi sai linh hoạt với số lượng không hạn chế các lượng thuốc, không chịu tác động của dòng điện lạc và sóng điện từ, đấu phép mạng nổ đơn giản, cho phép nổ vi sai ngay trong nỗ khoan, hiệu quả phá vỡ đất đá cao, cỡ hạt đều, kích thước đống đá gọn, giảm hậu xung, giảm chi phí chất nổ

Bên cạnh phương tiện nổ phi điện, sự ra đời của kíp nổ điện tử cũng có giá trị lớn về khoa học, cho phép điều khiển vi sai tới từng nỗ mìn với thời gian giãn cách bất kỳ (12 ms), giảm tới mức nhỏ nhất lượng thuốc phát nổ tại một thời điểm, giảm biên độ cực đại của chấn động so với khi điều khiển bằng kíp điện thường tới 77 % (kết quả đo tại công trình đường hầm Marin - Tây Ban Nha - 7/2001)

Áp lực của những đòi hỏi khắt khe về bảo vệ môi trường ở những năm cuối thế kỷ XX thúc đẩy các nhà khoa học đi tìm những giải pháp phá vỡ đất đá mà không cần tới nổ mìn Chất phá đá NPV-7B, Dexpan, hệ thống phá đá CardoxTube, phá đá bằng chất hoạt tính bề

mặt, mở đầu cho công nghệ phá đá sạch ở nhiệt độ thấp, không gây chấn động lớn, không bụi, không có đá bay, không xả khí độc vào môi trường Tuy nhiên các giải pháp phá đá này chưa thể thay thế cho phương pháp nổ mìn ở quy mô lớn Bên cạnh đó sự phát triển của công nghệ chế tạo máy đã tạo tiền đề để tiếp tục hoàn thiện đầu đập thuỷ lực, máy xúc có răng gàu tích cực, máy phay cắt liên hợp

Hình 2.7 Minh họa chiếc máy xới CAT D11N đang làm việc

Làm tơi đất đá bằng máy xới không chỉ có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế (theo số liệu thống kê của các mỏ lộ thiên Mỹ, giá thành làm tơi 1 m3 đất đá bàng máy xới chỉ bằng 40 %

so với khi sử dụng phương pháp khoan - nổ mìn) mà còn có ý nghĩa lớn về mặt môi trường do không gây chấn động mặt đất, chấn động không khí, không có đá văng và không xả khí độc hại vào không khí

Chiếc búa thuỷ lực ra đời đầu tiên năm 1967 do hãng Krupp-Berco Bautechnik của CHLB Đức chế tạo Sau 4 lần cải tiến năm 1985, 1995, 1998 và năm 2000, các búa thuỷ lực Eco và Marathonra đã được trang bị thêm các bộ phận chống rung, chống ồn và bảo vệ an toàn để trở thành các phương tiện phá đá có năng suất cao và điều khiển hiện đại Tới nay đã

có nhiều hãng sản suất búa thuỷ lực để phá đá quá cỡ, cậy bẩy đá trong nguyên khối, trên

mỏ lộ thiên như Atlas Copco, Stanley, Rammer, Indeco, Socomec, IR Motabert, Hitachi, Furukawa, lực đập của các loại búa lớn (HM-4000 của hãng Kurpp) có thể tới 65120 tấn Năng suất đập của búa HM-2600 là 180540 tấn/giờ và của HM-4000 là 230680 tấn/h tuỳ theo độ cứng của đá Với năng suất trên búa thuỷ lực thực sự là một thiết bị khai thác đá trực tiếp mà không cần khoan nổ mìn Búa thuỷ lực hiện đang được sử dụng ở nhiều mỏ lộ thiên trên thế giới với tư cách là một thiết bị phá đá chủ yếu trong đồng bộ thiết bị sử dụng của mỏ

2.4.2 Phương tiện cơ giới hóa khâu xúc bóc đất đá

Các phương tiện cơ giới hoá dùng trong xúc bóc rất đa dạng Theo tính chất hoạt động của cơ cấu công tác có thể phân thiết bị xúc bóc thành 2 loại: có cơ cấu công tác hoạt động liên tục và có cơ cấu công tác hoạt động không liên tục Theo đặc điểm cấu trúc công nghệ người ta phân biệt chúng thành các loại sau:

a) Máy xúc tay gàu kéo cáp (MXTG): là loại máy xúc một gàu, làm việc theo chu kỳ,

có gàu xúc được gắn cố định với tay gàu Lực xúc của gàu xúc được tạo ra nhờ hệ thống dây cáp kéo và cơ cấu ra vào tay gàu (Hình 2.8-a) Máy xúc tay gàu có lực xúc lớn, tuy nhiên do quỹ đạo chuyển động của gàu cứng nên hướng đặt lực xúc trong nhiều trường hợp không trùng với hướng xúc cần thiết, tạo nên lực cản xúc lớn (khi răng gàu trúng vào giữa cục đá), làm tăng mômen lật và tiêu hao nhiều năng lượng Máy xúc tay gàu được dùng phổ biến để

xúc đất đá cứng trên mỏ lộ thiên

b) Máy xúc thủy lực (MXTL): là loại máy xúc một gàu, có hệ thống pistông thuỷ lực nối giữa thân máy với cần máy, cần máy với tay gàu và tay gàu với gàu xúc MXTL có quỹ đạo xúc rất đa dạng, nhờ vậy mà lực xúc luôn được đặt trùng với hướng xúc cần thiết, dẫn đến tiết kiệm được năng lượng xúc, moment lật nhỏ, tăng hệ số xúc đầy gàu,… MXTL gồm 2 loại: gàu thuận và gàu ngược (Hình 2.8-b) Máy xúc thủy lực gàu thuận (MXTLGT) sử dụng hiệu quả trong việc xúc bóc chọn lọc Máy xúc thủy lực gàu ngược (MXTLGN) làm việc thích hợp với gương dưới mức máy đứng, do vậy mà phát huy được hiệu quả trong việc đào sâu đáy mỏ khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy

c) Máy xúc gàu treo (MXGT): là loại máy xúc một gàu được treo bằng cáp, lực xúc của gàu xúc được tạo nên bởi trọng lượng bản thân, lực quán tính khi quăng gàu và cáp kéo gàu Cần của máy xúc gàu treo dài và có thể điều chỉnh góc nghiêng nhờ hệ thống cáp dằng Máy xúc gàu treo có 2 loại: gàu úp và gàu ngoạm Loại gàu úp (Hình 2.8-d) thường dùng để xúc đất đá mềm, ngậm nước hoặc đất đá cứng được làm tơi vụn tốt Loại gàu ngoạm (Hình 2.8-e) được dùng trong khai thác cát, sỏi ngập nước; nạo vét lòng sông; bốc chuyển than ở nhà sàng, bến bãi

d) Máy chất tải (máy bốc): là thiết bị xúc bốc phụ trợ (Hình 2.8-c), có thông số làm việc nhỏ và lực xúc yếu Đặc điểm của máy chất tải là thân máy không quay tương đối được so với

bộ phận di chuyển, lực xúc của máy được tạo nên nhờ sự tiến về phía trước của bộ phận di chuyển và có thể làm việc với chức năng vận tải với cự ly di chuyển ngắn (200300 m) Máy chất tải có tính cơ động cao, được dùng để xúc bốc phụ đất đá được làm tơi vụn tốt, xúc bốc than trong đống, di chuyển thành phẩm trên bãi chế biến phân loại,…

e) Máy xúc tải (máy cạp): là thiết bị được dùng để xúc và vận tải đất đá mềm hoặc đất

đá cứng được làm tơi vụn tốt với cự ly trung bình (dưới 1,52 km) Đặc điểm của máy xúc tải

là miệng gàu xúc được lắp trực tiếp phía dưới thùng xe hoặc gàu xúc vừa làm chức năng thùng xe, mà không có cần và tay gàu như máy xúc (Hình 2.8-k)

f) Máy ủi: là thiết bị phụ trợ trên mỏ lộ thiên, được dùng để làm đường, san gạt mặt bằng, đánh đống đất đá và quặng,…Đôi khi máy ủi cũng được dùng với chức năng như một thiết bị xúc bóc như đẩy đá trên các tầng khai thác xuống chân tuyến trong hệ thống khai thác theo lớp xiên-xúc chuyển khi khai thác đá xây dựng; bóc và chuyển đất đá phủ ra bãi thải trên các điểm khai thác lộ vỉa;… Máy ủi có 2 loại: di chuyển bằng xích và bằng bánh lốp Trên các

mỏ lộ thiên chủ yếu dùng loại di chuyển bằng bánh lốp (Hình 2.8-l)

g) Máy khoan than: cũng được coi như một thiết bị xúc bóc đặc biệt, chuyên dùng để tận thu than ở những vỉa mỏng hoặc ở trụ bảo vệ Máy khoan than có đặc điểm là khấu và vận chuyển than ra khỏi vỉa bằng mũi khoan xoắn ruột gà theo phương nằm ngang hoặc dốc thoải (Hình 2.8.m)

h) Máy xúc nhiều gàu: là thiết bị xúc bóc làm việc liên tục Máy xúc nhiều gàu gồm 2 loại: khung xích và rôto Máy xúc nhiều gàu kiểu khung xích có các gàu gắn trên một xích khép kín chạy quanh một khung định hướng nhờ các bánh răng dẫn động ở 2 đầu khung Trong quá trình làm việc, xích chuyển động liên tục, hành trình của nhánh dưới là cắt và chất đầy đất đá vào các gàu xúc, hành trình của nhánh trên là dỡ đất đá ra khỏi gàu Bun ke nhận tải nằm ở dưới đầu phía trên của khung định hướng (Hình 2.8-g) Máy xúc nhiều gàu kiểu rôto có các gàu gắn trên một bánh quay lớn Bánh quay quay quanh trục nằm ngang ở đầu khung treo Trong quá trình quay của bánh quay, các gàu ở nửa hành trình đi lên cắt và chất đầy đất đá vào gàu, còn các gàu ở nửa hành trình đi xuống thì dỡ đất đá vào băng tải đặt dọc theo khung treo để đưa về băng tải chính Lực cắt của máy xúc rôto không lớn nên chỉ được dùng để xúc đất đá và KSCI mềm, tơi vụn (Hình 2.8-h)

Cũng xuất phát từ nguyên lý phá vỡ đất đá như búa đập thuỷ lực, nhà máy chế tạo máy

mỏ Uran (LB Nga) đã nghiên cứu thành công và đưa vào thử nhiệm có hiệu quả máy xúc có răng gầu tích cực Người ta thay thế các răng gầu cố định bằng những răng gầu hoạt động tích cực (theo nguyên lý búa chèn) với năng lượng một lần đập của răng gầu vào đất đá với 2 KJ Hiện đã có nhiều mỏ lộ thiên khai thác vật liệu xây dựng và phi quặng khác ở vùng ngoại ô Matxcơva, có đất đá với độ kiên cố f <12 (theo thang phân loại của Protođiacônov) đang sử dụng hiệu quả loại máy xúc này (ЭКГ-5Ƃ, dung tích gàu 5 m3) để xúc bóc đất đá mà không cần làm tơi sơ bộ bằng khoan nổ mìn Nhà máy Uran đang tiến hành chế tạo máy xúc có răng gàu tích cực dung tích gàu 12 m3 (ЭКГ-12Ƃ) theo đơn đặt hàng của các mỏ lộ thiên khai thác

than và quặng khác trong liên bang

a- máy xúc tay gàu; b- máy xúc thuỷ lực; c- máy chất tải; d- máy xúc gàu treo;

e- máy xúc gàu ngoạm; g- máy xúc nhiều gàu khung xích; máy xúc nhiều gàu rôto;

k- máy xúc tải; l- máy ủi; m- máy khoan than

Trong những năm gần đây nhiều mỏ lộ thiên của CHLB Đức, Mỹ, Ôxtrâylia, Italia, LB Nga, Nhật Bản, Pháp, Iran, Bồ Đào Nha, Ấn Độ, Anh, Philipin, Hy lạp, Mehicô, Áo, Đan Mạch, Hà Lan đã sử dụng máy phay cắt liên hợp để khấu trực tiếp đất đá có độ cứng f=12 (tương đương độ bền nén 120 MPa) mà không cần khoan nổ mìn Theo đánh giá của một số chuyên gia khai thác mỏ Châu Âu thì khi sử dụng máy phay cắt liên hợp để cắt trực tiếp đất

đá làm giảm được tổn thất, và làm bẩn quặng, cỡ hạt đất đá phá ra đều thuận lợi cho vận tải băng tải, nâng cao độ ổn định bờ mỏ, giảm ô nhiễm môi trường, giảm chi phí xúc bóc - vận tải đến 23 lần so với công nghệ truyền thống

Hiện nay đã có nhiều hãng máy mỏ chế tạo máy phay cắt liên hợp như Wirtgen, Kurpp, Man Takraf (CHLB Đức), Huron (Mỹ), Voest Alpine (Áo), Dosco (Anh), Nguyên lý làm tơi đất đá của máy phay cắt liên hợp được thể hiện như trong hình 2.9

Các máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen được chế tạo và phát triển từ năm 1988, như Wirtgen 1900SM, Wirtgen 2600SM, Wirtgen 3000SM,… Ví dụ máy Wirtgen mã hiệu 1900SM có công suất động cơ 280 kW; chiều rộng luồng cắt 1900 mm; chiều rộng luồng cắt

160 mm; đường kính bánh xe có mũi dao cắt 812 mm; tốc độ công tác 10 m/ph; trọng lượng máy 27 tấn; bán kính quay 20 m; năng suất lý thuyết băng tải dốc 20o là 1400 m3/h; chiều cao rót 3800 mm; năng suất lý thuyết của cơ cấu căt đá là 130 tấn/h Hiện nay máy phay cắt liên hợp 4200SM của hãng Wirtgen là thiết bị có công suất tới 1600 kW, nặng 191 tấn; có thể làm tơi đất đá có độ cứng f = 12 với dải khấu có chiều dày 0,8 m và chiều rộng 4,2 m; đạt năng suất 475 t/h (đối với đất đá có f = 8)

Hình 2.9: Sơ đồ làm việc của máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen

Máy phay cắt liên hợp mã hiệu VASM được chế tạo tại nhà máy Voest Alpine từ năm

1992 Thiết bị di chuyển bằng bánh xích với cần dài được lắp hệ thống dao cắt được điều khiển bằng thuỷ lực Quá trình cắt đá liên tục theo gương bên hông, được gom lại và đưa vào

hệ thống vận tải bằng băng tải, ví dụ như chiếc VASM-2D có lực cắt lên đến 100 MPa, tốc

độ cắt 60180 m/s và năng suất đạt 1600 tấn/h

Xu hướng chuyển đổi các thiết bị xúc bóc và vận tải có cơ cấu công tác hoạt động theo chu kỳ sang thiết bị có cơ cấu công tác hoạt động liên tục tuy đã được khẳng định, nhưng tính phổ cập của chúng chưa cao mà chỉ hạn chế sử dụng trên một số mỏ (các mỏ than nâu, một vài mỏ sa khoáng, ) hoặc ở một vài bộ phận sản xuất không chủ chốt (vận tải than trong mỏ, vận tải thành phẩm ở trạm gia công chế biến, ) trong khi đó thì xu hướng mở rộng công suất của thiết bị xúc bóc và tăng tải trọng thiết bị vận tải đang được các nhà chế tạo máy mỏ và người sử dụng hưởng ứng ngày càng đông với yêu cầu ngày một cao

Hình 2.10 Sơ đồ làm việc của máy phay cắt liên hợp hãng Voest Alpine 2D

Bảng 2.2 Đặc tính kỹ thuật một số một số máy phay cắt liên hợp trên thế giới

Hệ thống Nhà sản xuất

Khả năng cắt một trục, MPa

Chiều sâu cắt, m

Tốc độ cắt, m/ph

Năng suất lớn nhất, tấn/h

Phần lớn các mỏ lộ thiên thế giới ngày nay đều sử dụng MXTG có dung tích gàu xúc

1015 m3 và lớn hơn để đồng bộ với ô tô tải trọng 75120 tấn và lớn hơn Ngay ở LB Nga trong năm 1991, tổng dung tích gầu dưới 10 m3 chỉ chiếm 18%, còn lại (82%) là dung tích gàu từ 10100 m3

Về MXTG, đáng kể nhất là những cải tiến của hãng máy mỏ P&H về cấu trúc hình học của máy, bộ chương trình kỹ thuật số tự động điều khiển chế độ làm việc của động cơ, hệ thống làm mát, hệ thống đối trọng, bộ kiểm soát nhiệt độ và độ rung của máy, thiết bị điện tử bảo vệ cần xúc, cho loại máy xúc 4100-XPB dung tích gầu 52 m3 dẫn đến giảm 12 % tải trọng ở các bộ phận dẫn động, momen quay tăng 30 %, chu kỳ xúc khi góc quay 90o chỉ còn

29 s So với các máy xúc cùng dung tích gàu thì 4100-XPB có tốc độ làm việc cao hơn 40 % Tại

mỏ than Wioming (Mỹ), máy xúc này đã đạt kỷ lục về năng suất bóc đất đá 26,7 triệu m3/năm

Hình 2.11 Máy xúc tay gàu mã hiệu 4100 - XPB của hãng P&H

Tương tự như MXTG, sau 3 năm nghiên cứu thử nghiệm, năm 2001 hãng chế tạo máy mỏ P&H (Mỹ) đã cho ra đời chiếc máy xúc gàu treo 2570-WS chạy bằng động cơ dẫn động cơ khí có trang bị hệ thống chuẩn đoán điện tử phát tín hiệu khi có sự cố hỏng hóc và hệ thống điều khiển hiện đại với dung tích gầu 120 m3, chiều dài cần tới 128 m, trọng lượng tổng cộng của máy tới 7271 tấn

Hình 2.12 Máy xúc gàu treo mã hiệu 2570-WS của hãng P&H

Xu hướng chuyển đổi các thiết bị xúc bóc và vận tải có cơ cấu công tác hoạt động theo chu kỳ sang thiết bị có cơ cấu công tác hoạt động liên tục tuy đã được khẳng định, nhưng tính phổ cập của chúng chưa cao mà chỉ hạn chế sử dụng trên một số mỏ (các mỏ than nâu, một vài mỏ sa khoáng, ) hoặc ở một vài bộ phận sản xuất không chủ chốt (vận tải than trong mỏ, vận tải thành phẩm ở trạm gia công chế biến, ) trong khi đó thì xu hướng mở rộng công suất của thiết bị xúc bóc và tăng tải trọng thiết bị vận tải đang được các nhà chế tạo máy mỏ và người sử dụng hưởng ứng ngày càng đông với yêu cầu ngày một cao

Hình 2.13 Hệ thống xúc bốc, vận tải và thải đá liên tục

Bên cạnh các thiết bị xúc bóc trên, thì máy bốc (máy chất tải) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trên mỏ lộ thiên với chức năng như một thiết bị xúc bóc mới (Bảng 2.4), đặc biệt đối với các mỏ khai thác vật liệu xây dựng, mỏ có đất đá cứng nhưng được đập vỡ tốt Năm 2001, hãng Komatsu vừa xuất xưởng một sêri WA-1200-3 để cung cấp cho Ôxtrâylia,

Mỹ, Canađa và trong nước sau khi đã thử nghiệm 3600 giờ hoạt động với hệ số sử dụng thời gian 97 % tại mỏ lộ thiên Graffin Coal mà làm việc vẫn tốt Máy có dung tích gàu 30 m3, áp lực cột nước 1.274 KN, trọng lượng 200 tấn, chạy bằng bánh lốp, thời gian chu kỳ xúc 31 s,

có hệ thống điện tử để điều khiển hoạt động của động cơ, báo hiệu tình trạng làm việc của các chi tiết máy và điều khiển hệ thống thuỷ lực

Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy bốc của hãng Komatsu

Thông số WA 700 - 3 WA 800 - 3 WA 900 -3 WA 600 -3 Dung tích gầu, m3:

13

11

7,5 6,8

mã hiệu với dung tích gầu 0,1827,5 m3, hãng Hitachi có 40 mã hiệu với dung tích gầu từ 0,1125 m3 Bảng 2.5 giới thiệu những chiếc MXTL lớn nhất của hãng chế tạo máy mỏ nổi tiếng thế giới hiện nay

Nhờ các hệ thống pistông thuỷ lực mà giữa gàu xúc với tay gàu, tay gàu với cần gàu, cần gàu với thân máy đều có thể quay tương đối với nhau, giúp cho tay gầu và gàu xúc MXTL có thể tạo nên những quỹ đạo xúc bất kỳ, cho phép sử dụng lực xúc hợp lý, tiết kiệm năng lượng, giảm khối lượng máy, giảm mômen quán tính khi quay, rút ngắn thời gian chu kỳ xúc, xúc bóc chọn lọc và dọn sạch mặt tầng một cách dễ dàng,…

Hình 2.14 Máy bốc WA800-3 của Komatsu Bảng 2.5 Những chiếc MXTL đang giữ kỷ lục hiện nay

Tên MXTL (Hãng sản xuất) Dung tích gầu, m3 Trọng lượng, tấn Loại gầu H-740-OS (Demag)

5230B (Caterpillar)

5230B ME (Caterpillar)

17 27,5

324

326

Thuận Ngược PC8000-1 (Komatsu)

Hình 2.15 MXTLGN và MXTLGT của hãng TEREX Mining

2.4.3 Phương tiện cơ giới hoá khâu vận tải và thải đá

Các phương tiện kỹ thuật để cơ giới hoá khâu vận tải trên mỏ lộ thiên tương đối phong phú Về đường sắt có thể sử dụng các loại đầu máy hơi nước, điện ắc quy Điện cần vẹt, điện

ắc quy - cần vẹt, diezen, diezen - điện Khi sử dụng vận tải ô tô thì có ô tô tự lật, ô tô kéo

tải để vận chuyển đất đá ra bãi thải và quặng về kho chứa Ngoài ra còn có các hình thức vận tải kết hợp như trục tải, máng thả quặng, máy nâng Hình thức vận tải thuỷ lực (có áp và không áp) cũng được dùng ở một số mỏ lộ thiên khai thác than, vật liệu xây dựng (cát, sỏi) và một số mỏ sa khoáng khác

Vận tải đường sắt là vận tải kinh tế đối với các mỏ có sản lượng trung bình và lớn, cung

độ vận tải xa (trên 23 km) Ưu điểm của vận tải đường sắt là có thể sử dụng các dạng năng

lượng bất kỳ và các loại đầu máy khác nhau, chi phí năng lượng nhỏ do sức cản chuyển động riêng của đoàn tàu nhỏ (2,02,5 kg/tấn khối lượng đoàn tàu); có khả năng đáp ứng mọi nhu cầu sản lượng của mỏ lộ thiên do có thể tăng số lượng đoàn tàu hoặc tăng tải trọng của đoàn tàu (tới 1500 tấn hoặc lớn hơn); có khả năng tự động hoá trong điều khiển chạy tàu và trong các khâu phụ trợ khác; làm việc chắc chắn trong mọi điều kiện khí hậu và địa chất mỏ bất kỳ;

số lượng nhân viên phục vụ không nhiều; chi phí cho sửa chữa bảo dưỡng và khấu hao không lớn do thiết bị có độ bền, độ chắc chắn và thời gian phục vụ lớn (tới 2025 năm); chi phí vận tải cho 1 tấn.km nhỏ (so với ô tô và băng tải - nhỏ hơn 46 lần)

Bên cạnh đó, vận tải dường sắt đòi hỏi khắt khe về điều kiện địa hình: chiều dài tuyến công tác phải đủ lớn (không nhỏ hơn 300500 m), bán cong của đường lớn (không nhỏ hơn

100120 m đối với cỡ đường rộng), độ dốc của đường phải nhỏ (dưới 2530 ‰), từ đó dẫn đến làm tăng một cách đáng kể chiều dài và khối lượng hào dốc; chi phí đầu tư cơ bản cho khâu vận tải lớn; khối lượng và thời gian xây dựng mỏ; làm cho việc tổ chức vận tải và trao đổi phương tiện ở gương phức tạp; làm giảm năng suất có thể của thiết bị xúc bóc, nhất là khi khai thác chọn lọc, Khi vận tải đường sắt, công nghệ thải đá cũng như việc cơ giới hoá khâu thải đá rất phức tạp

Vận tải ô tô được áp dụng cho các mỏ lộ thiên với điều kiện bất kỳ về sản lượng và địa hình, dễ phối hợp với các phương tiện xúc bóc cũng như các hình thức vận tải khác Với các

mỏ cỡ lớn (có tải lượng 2570 tr.t/năm và lớn hơn) có thể sử dụng có hiệu quả các ô tô cỡ lớn (80180 tấn hoặc lớn hơn)

Trong những năm cuối thế kỷ XX, đi đôi với việc sử dụng và mở rộng dung tích gầu xúc là tăng tải trọng của ô tô nhằm đảm bảo tính đồng bộ của hai thiết bị chủ yếu này Hãng sản suất ô tô БелАЗ có tới 17 mã hiệu, có tải trọng là 27200 tấn БелАЗ-75214 có tải trọng

180 tấn và БелАЗ-75202 là 200 tấn Các ô tô trọng tải từ 2742 tấn thì truyền động bằng cơ - thuỷ lực, còn ô tô tải trọng 2742 tấn thì truyền động bằng cơ - điện Trong năm 2000 hãng Caterpillar vừa xuất xưởng sêri ô tô mã hiệu CAT-797 có trọng tải 325 tấn Hãng Liebherr, tại hội chợ MINexpo-2000 đã giới thiệu hai loại ô tô khổng lồ là TL272 và T282 có tải trọng tương ứng là 290 tấn và 325 tấn Các hãng ô tô khác như Komatsu, Unit-Rig, Dresser, Euclid, cũng sản xuất các loại ô tô có trọng tải từ 218300 tấn như 930 E, MT5500, Hầu hết các mỏ lộ thiên lớn của nước ta như Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Hà Tu, Núi Béo (Quảng Ninh), Apatit Lào Cai (Yên Bái), đều sử dụng vận tải ô tô với tải trọng từ

4596 tấn

Ưu diểm chính của ô tô là cơ động, linh hoạt và độc lập trong công tác; không có yêu cầu cao về điều kiện địa hình do có khả năng vượt dốc lớn (80100 ‰), bán kính vòng nhỏ (1525 m) Những ưu điểm đó dẫn đến dễ phối hợp với thiết bị xúc bóc, tạo điều kiện tốt để tăng cao năng suất máy xúc; giảm được khối lượng làm đường, đào hào; rút ngắn thời gian xây rựng mỏ và chi phí đầu tư cơ bản cho khâu vận tải; nâng cao mức độ tập trung công tác

mỏ, tạo điều kiện tăng nhanh tốc độ dịch chuyển của tuyến công tác và cường độ ăn sâu của đáy mỏ

Vận tải ô tô áp dụng đặc biệt có hiệu quả trong thời gian xây dựng mỏ, khi khai thác các khoáng sàng có cấu tạo phức tạp, khi khai trường có kích thước mặt bằng chật hẹp, khi địa hình mặt đất phức tạp, khi khai thác chọn lọc,… cũng như làm các việc phụ trợ trên mỏ Nhược điểm cơ bản của vận tải ô tô là chỉ có hiệu quả kinh tế khi khoảng cách vận tải không lớn (23 km với ô tô có tải trọng 27 tấn và 45 km đối với ô tô có tải trọng 4550 tấn), cường độ chuyển dịch cao trên đường (tới 1012 ngàn chuyến/ngđ), số lượng phương

tiện thiết bị và phục vụ lớn, tiêu hao dầu mỡ chất đốt tương đối cao, khi đường xấu và dốc thì các bộ phận cơ khí và động cơ hao mòn nhanh, bị ảnh hưởng lớn bởi các điều kiện thời tiết khí hậu và tình trạng đường sá, gây ô nhiễm môi trường

Ngày nay, người ta đã chế tạo được những ô tô kéo moóc, ô tô tự lật có tải trọng 75180 tấn và lớn hơn để làm việc với các máy xúc cỡ lớn (dung tích gầu 2560 m3) làm việc ở những

mỏ lộ thiên có sản lượng lớn, cung độ vận tải xa và độ sâu khai thác không sâu lắm

Hình 2.16 Ô tô khung mềm của Volvo và khung cứng của Caterpillar

Hinh 2.17 Ô tô chạy bằng điện MLT2200

Loại ô tô diezen - điện và diezen - cần vẹt (tải trọng 6065 tấn và lớn hơn) sử dụng hợp

lý cho các mỏ lộ thiên có khối lượng hàng hoá từ 1020 tr.t/năm hoặc lớn hơn với cung độ vận tải 46 km Ưu điểm chủ yếu của ô tô điện - cần vẹt là khả năng vượt dốc lớn (tới

100120 ‰)

Bảng 2.6 Đặc tính kỹ thuật của một số ô tô mỏ siêu trọng

Mã hiệu Nước sản xuất Trọng lượng bì, tấn Tổng trọng lượng, tấn Rộng,

Bảng 2.7 Đặc tính kỹ thuật của một số ô tô mỏ cỡ lớn

Vận tải băng tải chủ yếu áp dụng để chuyên chở than, đất đá mềm, cát sỏi, sét chịu lửa

và đất đá cứng được đập vỡ tốt trên các mỏ lộ thiên

Ưu điểm chủ yếu của băng tải là quá trình vận tải nhịp nhàng và liên tục; có điều kiện

để nâng cao được năng suất thiết bị xúc bóc (so với khi vận tải đường sắt - cao hơn 2530 %)

và năng suất thiết bị thải đá; tổ chức vận hành đơn giản; giảm được cách đáng kể khối lượng công tác vận tải và khối lượng xây dựng cơ bản cũng như chiều dài toàn bộ của hệ thống đường sá do băng tải có khả năng vượt dốc lớn 1820o nếu sử dụng các loại băng đặc biệt thì

có thể tới 3060o; tạo điều kiện để tăng tốc độ của tuyến công tác và đào sâu đáy mỏ; cải thiện điều kiện làm việc và an toàn lao động; tiêu hao điện năng điều hoà và không lớn; có điều kiện để tự động hoá và điểu khiển từ xa quá trình vận tải; năng suất làm việc cao; lắp đặt, di chuyển và sửa chữa băng đơn giản

Băng tải sử dụng có hiệu quả cao khi khối lượng hàng từ 2030 tr.t/năm hoặc lớn hơn trên các mỏ lộ thiên có chiều dày lớp đất bóc lớn; đất đá mềm, nếu đất đá cứng phải làm tơi tốt (khi cần phải nghiền, đập), chiều sâu mỏ trên 150 m, khoảng cách vận tải 2,53 km

Lĩnh vực sử dụng băng tải bị hạn chế bởi những nhược điểm sau: khi vận tải đất đá có

độ dính kết và ẩm (như sét, phấn thạch,…) thì dính băng, do vậy làm tăng giờ chết (để cậy gỡ)

và giảm tốc độ chuyển động của băng; khi vận tải đất đá cứng, sắc cạnh thì băng chóng mòn (chỉ được 1218 tháng); kích thước của cục đá không được vượt quá 2535 % chiều rộng của băng (đối với băng hẹp, d150200 mm và đối với băng rộng, d300400 mm); vì chiều dài băng hạn chế nên cần nhiều băng, do vậy phải có nhiều bộ dẫn động và khi vật liệu rót từ băng này sang băng khác sẽ làm tăng độ mài mòn của băng

Điều kiện thời tiết khí hậu có ảnh hưởng lớn tới chế độ làm việc của băng Khi khai thác chọn lọc thì việc tổ chức vận tải bằng băng tải ở gương cũng gặp khó khăn Việc chất thải vào băng yêu cầu phải liên tục, không gây các va đập mạnh

Các loại băng dùng trên mỏ lộ thiên có thể đặt cố định hay di động, tự di chuyển được;

có thể là loại băng truyền tải, băng cấp liệu, bộ liên hợp thải đá trang bị băng tải, hoặc là cơ cấu băng tải nằm trong các thiết bị xúc bóc, chất hàng,…

Vận tải liên hợp là hình thức vận tải kết hợp nhiều phương tiện, phù hợp với điều kiện

cụ thể về tự nhiên và kỹ thuật của một khu mỏ cụ thể Vận tải liên hợp là ô tô - đường sắt (kết hợp thêm băng tải hoặc trục tải skip), ô tô - trọng lực - đường sắt, băng tải - sức nước, ô tô - tời dây trên không,… Với các mỏ lộ thiên sâu thì thường dùng ô tô vận tải trên tầng, sau đó dùng băng tải hoặc trục tải skip để chuyển khối lượng từ mỏ các tầng dưới thấp lên mặt đất

Từ mặt đất ra bãi thải có đường sắt, ô tô hay băng tải tuỳ theo địa hình và cung độ vận tải Vận tải liên hợp ô tô - đường sắt có sử dụng hiệu quả trên các mỏ lộ thiên có sản lượng lớn; ở các tầng thấp (từ độ sâu 120150 m) thì dùng vận tải ô tô sau đó chuyển tải cho đường sắt để kéo ra khỏi mỏ; ở các tầng phía trên thì có thể dùng vận tải đường sắt trực tiếp từ gương xúc Khoảng cách vận tải ô tô không nên vượt quá 0,70,9 km

Phối hợp vận tải ô tô và trục tải skip được sử dụng cho những mỏ lộ thiên sâu trên 150

m khi kích thước mặt bằng hạn chế, vỉa cắm dốc, đất đá ở bờ mỏ ổn định Khoảng cách vận tải ô tô khi đó không nên lớn hơn 0,50,8 km

Khâu thải đá ở bãi thải được thực hiện bằng máy xúc (một gàu hoặc nhiều gàu), bằng tàu gạt (loại tự hành hoặc lắp sau máy kéo), bằng thiết bị thải chuyên dùng (cầu thải đá, công xôn thải đá, thiết bị ném đá kiểu cơ học, thiết bị ném đá kiểu tuy bin) hoặc bằng thuỷ lực (có

áp hoặc không áp)

Một số mỏ lộ thiên đảm nhiệm thêm khâu gia công chế biến quặng Đối với than đó là sàng, tuyển và phân loại Đối với quặng đó là tuyển, làm giàu chất lượng hoặc phân loại quặng Còn đối với mỏ đá là nghiền sàng và phân loại theo cỡ hạt Cơ giới hoá khâu này là các máy tuyển, máy sàng (sàng ống, sàng que) máy nghiền (nghiền côn, nghiền má, nghiền trục, nghiền rôto, nghiền búa) và các bộ phận liên hợp nghiền sàng di động hoặc cố định Khi chọn sơ đồ công nghệ và phương tiện cơ giới hoá cho mỗi khâu sản xuất phải xuất phát từ điều kiện cụ thể về tự nhiên, về kỹ thuật và kinh tế của khoáng sàng mà quyết định phương án

Những năm cuối thế kỷ XX các nhà chế tạo máy mỏ đã ra sức nghiên cứu tìm tòi và chế tạo thành công nhiều thiết bị xúc bốc vận tải cỡ lớn, trang bị hiện đại nhằm thoả mãn nhu cầu ngày càng cao của công nghệ khai thác lộ thiên, đúng như tổng kết của các nhà khoa học mỏ thế giới về những thành tựu của lĩnh vực này tại Hội nghị mỏ Brisban (Ôxtrâylia) cuối năm

2000, trong có nhấn mạnh 3 điểm quan trọng là:

- Về quy mô: tăng sản lượng mỏ, tăng chiều sâu khai thác, nâng cao góc nghiêng bờ mỏ;

- Về công nghệ: sử dụng thiết bị cỡ lớn với các máy xúc dung tích gàu lớn tới 76,5 m3;

ô tô trọng tải tới 400 tấn; đường kính lỗ khoan 381432 mm; thuốc nổ chịu nước tốt và an toàn; phương tiện nổ điện, phi điện và điện tử, ;

- Về cơ giới hoá - tự động hoá: ứng dụng công nghệ GPS, điều khiển từ xa hoạt động của máy khoan và máy xúc, tự động hoá chế độ làm việc của thiết bị, ứng dụng công nghệ mô phỏng, dự báo chính xác sự cố mỏ và môi trường

Sau gần 10 năm, tại Hội nghị lần thứ 21 của Hội mỏ thế giới tổ chức từ ngày 7-12 tháng 9 năm 2008 tại Kracốp - Balan, các nhà khoa học mỏ quốc tế đã thống nhất nhấn mạnh một số định hướng cho ngành khai thác mỏ lộ thiên nói riêng và ngành mỏ thế giới nói chung như sau:

- Tiếp tục tăng sản lượng mỏ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế thế giới về khoáng sản;

- Tận dụng tối đa phương pháp khai thác mỏ lộ thiên và kết hợp với phương pháp khai thác hầm lò trong điều kiện thích hợp để thu hồi tối đa tài nguyên lòng đất

- Áp dụng công nghệ khai thác mỏ thông minh để nâng cao hiệu quả khai thác, tăng năng suất lao động, phát triển bền vững và bảo vệ môi trường

Câu hỏi ôn tập chương 2

1 Đặc điểm của công nghệ khai thác các mỏ lộ thiên nước ta là gì?

2 Hãy giải thích các khái niệm: a) khoáng sàng; b) khoáng sản; c) mỏ lộ thiên; d) khai trường

3 Sự khác nhau về công nghệ khai thác giữa các mỏ đá khu vực phía Bắc và phía Nam? Giữa các mỏ đá và các mỏ than? Giữa quặng sa khoáng và quặng gốc?

4 Hãy kể tên các yếu tố của mỏ lộ thiên và các thông số của chúng!

5 Để vận hành một dự án khai thác mỏ lộ thiên phải qua mấy giai đoạn? Nội dung các giai đoạn đó là gì?

6 Hãy nêu những sự kiện đáng được ghi nhận trong công nghệ chế tạo thiết bị phục vụ cho ngành công nghiệp khai khoáng của thế kỷ XX!

Chương 3 KHÁI NIỆM VỀ MỞ VỈA VÀ HỆ THỐNG KHAI THÁC 3.1 Khái niệm chung

Mở vỉa mỏ lộ thiên nhằm tạo nên hệ thống đường vận tải và đường liên lạc nối từ điểm tiếp nhận (kho chứa, bunke chuyển tải, bãi thải,…) hoặc từ hệ thống đường vận tải quốc gia, từ bến cảng (đường thuỷ, đường bộ),… trên mặt đất tới các mặt bằng công tác (tầng bóc đất đá, tầng khai thác quặng, mặt bằng chung chuyển), bóc một khối lượng đất đá phủ ban đầu (nếu cần thiết) và tạo ra mặt tầng công tác đầu tiên sao cho khi đưa mỏ vào sản xuất, các thiết

bị mỏ có thể hoạt động một cách bình thường và đạt được một tỷ lệ xác định sản lượng thiết

kế

Sơ đồ mở vỉa của một mỏ lộ thiên là tập hợp toàn bộ các đường hào cơ bản (hào vận tải chính), hào ra vào mỏ, hào dốc lên xuống giữa các tầng, các hào phụ và hào chuẩn bị ở thời điểm đưa mỏ vào sản xuất Trong quá trình hoạt động khai thác, sơ đồ mở vỉa của mỏ lộ thiên phát triển và thay đổi từng phần hay toàn bộ (đôi khi) Tập hợp các động thái đó được gọi là hệ thống mở vỉa của mỏ lộ thiên

Việc mở vỉa một khoáng sàng có quan hệ chặt chẽ với việc bố trí tổng mặt bằng khu

mỏ và hệ thống khai thác sử dụng sau này

Vị trí của công trình mở vỉa và hình thức mở vỉa trước hết phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của khoáng sàng (địa hình mặt đất, thế nằm của vỉa), thiết bị kỹ thuật sử dụng và hướng phát triển công trình mỏ dự kiến Ngoài ra, cũng cần quan tâm tới quy hoạch tổng mặt bằng công nghiệp của mỏ, nhằm đảm bảo sự thuận lợi và hiệu quả cao giữa các khâu hoạt động trong dây truyền sản xuất và quản lý mỏ sau này

Tuỳ theo điều kiện cụ thể mà vị trí công trình mở vỉa có thể bắt đầu từ ngoài biên giới

mỏ (gọi là mở vỉa bằng hào ngoài), từ trong biên giới mỏ (gọi là mở vỉa bằng hào trong), bố trí dọc theo biên giới mỏ phía vách (mở vỉa bám bờ vách), dọc theo biên giới mỏ phía trụ (mở vỉa bám bờ trụ), dọc theo vách hay trụ vỉa (mở vỉa bám vách hay trụ vỉa), mở vỉa vuông góc vói phương vị vỉa (mở vỉa ngang mỏ),…

Hình thức mở vỉa cũng rất đa dạng: mở vỉa bằng đường hào thẳng (khi mỏ có chiều dài theo phương lớn và số tầng ít), mở vỉa bằng hào zíczắc (khi vận tải bằng đường sắt), bằng hào lượn vòng hay hào xoáy ốc (khi mỏ có kích thước mặt bằng hạn chế, vận tải bằng ô tô), bằng hào dốc (khi vận tải bằng băng tải, trục tải, máng trượt) và mở vỉa bằng hầm lò (khi khai thác trên núi cao, khi không thể áp dụng các hình thức mở vỉa thông thường hay khi có thể lợi dụng các công trình mở vỉa của phần khai thác hầm lò phía dưới)

Tiêu chuẩn để đánh giá một phương án mở vỉa hợp lý là khối lượng và thời gian xây dựng mỏ nhỏ, cung độ vận tải đất đá ra bãi thải và quặng về kho chứa, bến cảng hay nhà máy gia công chế biến ngắn, trong quá trình tồn tại của mỏ các công trình mở vỉa ít bị di chuyển, thu hồi được tối đa tài nguyên lòng đất, tận dụng được các cơ sở hạ tầng sẵn có trong khu vực (điện, nước, giao thông,…), kết hợp hài hoà với các công trình trong mặt bằng công nghiệp, ít ảnh hưởng đến các công trình kinh tế khác trong vùng lân cận, ít gây tác động làm ảnh hưởng xấu đến môi trường

3.2 Các loại đường hào trên mỏ lộ thiên

Để tiến hành thu hồi quặng phân bố sâu dưới mặt đất bằng phương pháp lộ thiên, người

ta phải bóc lớp đất đá phủ trên và xung quanh thân quặng theo một trật tự xác định Phương tiện để tiếp cận đến các công trình bóc đất đá và khai thác quặng là hệ thống các đường hào Tùy theo phương pháp khai đào, điều kiện địa hình, công dụng, mà các đường hào có tên gọi, hình dạng và kích thước khác nhau.Theo hình dạng, hào được chia thành hào hoàn chỉnh

và hào bán hoàn chỉnh

Hào hoàn chỉnh là hào có tiết diện hình thang với đầy đủ hai thành hào Khi hào được

đào trên địa hình bằng phẳng thì thường là hào hoàn chỉnh

Hào bán hoàn chỉnh là hào chỉ có một thành hào, tiết diện hình tam giác hoặc khi kích

thước hai thành chênh lệch nhau nhiều, tiết diệncủa nó có dạng hình thang lệch (chiều cao 2

thành lệch nhau nhiều) Khi hào được đào trên địa hình sườn núi hoặc đào chéo trên mặt nghiêng thì thường là hào không hoàn chỉnh

Theo vị trí tương đối so với biên giới mỏ, hào được chia thành hào trong và hào ngoài

Hào trong là hào nằm trong phạm vi biên giới mỏ

Hào ngoài là hào nằm ngoài phạm vi biên giới mỏ

Theo công dụng, hào được chia thành hào dốc, hào mở vỉa, hào cơ bản, hào chuẩn bị

Hào dốc là hào nối giữa các tầng (từ tầng trên xuống tầng dưới), dùng để đi lại, liên lạc

giữa các tầng Hào dốc có độ dốc khống chế tùy thuộc vào khả năng leo dốc của thiết bị vận tải sử dụng trong mỏ Khi vận tải bằng ô tô độ dốc hào thường i= 0,06÷0,12

Hào mở vỉa là hào để tiếp cận tới các mặt bằng công tác (cũng có thể gọi là hào khai

thông) Để tiếp cận tới mặt bằng công tác đầu tiên có thể dùng hào trong (đào từ biên giới mỏ) hoặc hào ngoài (đào từ ngoài biên giới mỏ) Trong quá trình khai thác, hào mở vỉa được phát triển kéo dài Khi mỏ xuống sâu, thì giá trị lớn nhất của chiều dài hào mở vỉa tương ứng với thời điểm kết thúc mỏ

Hào cơ bản là hào được sử dụng làm đường vận chuyển chính cho mỏ Hào cơ bản

thường dài, được bố trí trên bờ mỏ phía vách, phía trụ hoặc vòng quanh các bờ mỏ Hào cơ bản được kết cấu bởi nhiều đoạn: hào mở vỉa, các đoạn hào dốc và các ”đoạn bằng” trên mặt tầng

Hào chuẩn bị là hào nhằm tạo ra mặt bằng công tác đầu tiên trên mỗi tầng Hào chuẩn

bị thường không có độ dốc Khi khai thác các khoáng sàng dạng vỉa thì hào chuẩn bị thường được bổ trí trong đất đá sát vách vỉa và chạy dọc theo phương vị vỉa Kích thước hào chuẩn bị phụ thuộc vào kích thước làm việc của thiết bị xúc bóc và vận tải, cũng như sơ đồ phối hợp giữa 2 khâu này Chiều sâu của hào chuẩn bị cũng là chiều cao của tầng hay của phân tầng Theo thời gian sử dụng, hào được phân biệt thành hào cố định, hào tạm thời và hào bán

cố định

Hào cố định là hào được sử dụng trong suốt thời gian tồn tại của mỏ Hào cố định thông

thường là hào cơ bản khi được bố trí trên bờ dừng (bờ không công tác) của mỏ

Hào di động là hào thường xuyên phải di chuyển theo sự dịch chuyển của tuyến công

tác Thông thường hào di chuyển là các hào bố trí trên bờ công tác Các hào dốc trên bờ công tác đều là hào di động (vì thế đôi khi vần gọi đó là hào tạm thời)’

Hào bán di động (hay bán cố định) là hào chỉ được sử dụng trong một thời gian nào đó

(3 ÷ 5 năm) lại được di chuyển tới vị trí khác Thông thường đó là sự thay đổi vị trí hào cơ bản khi có sự thay đổi về hướng mở vỉa, hướng đổ thải hoặc thay đổi trình tự khai thác,

3.3 Chọn hình thức hào mở vỉa

Khoáng sàng có thể mở vỉa bằng hào trong hoặc hào ngoài, tuỳ thuộc theo điều kiện địa hình và các yếu tố thế nằm của thân khoáng

Khi mở vỉa bằng hào ngoài thì có những ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm: Tuyến đường hào cố định, công tác đào hào và công tác xây dựng cơ bản (đào

hào dốc, hào mở vỉa,…) trong mỏ độc lập với nhau do vậy mà rút ngắn được thời gian xây dựng mỏ, ngoài ra còn cho phép phân chia luồng hàng ngay từ thời kỳ đầu sản xuất

Nhược điểm: Khi chiều sâu của mỏ lớn thì khối lượng công tác đào hào rất lớn do vậy

chỉ hạn chế áp dụng cho những mỏ nằm nông

Đối với những khoáng sàng có thân khoáng nằm sâu thì thường áp dụng mở vỉa bằng hào trong Hào trong có thể bố trí trên bờ dừng của mỏ (gọi là hào cố định) hoặc trên bờ công tác của mỏ (gọi là hào di động) Cũng có thể ở một số tầng trên thì dùng hào cố định, còn ở những tầng dưới thì dùng hào di động, tuỳ theo điều kiện tự nhiên cụ thể của khoáng sàng Khối lượng hào trong nhỏ hơn nhiều so với khối lượng hào ngoài vì một phần lớn được tính vào khối lượng đất bóc, trong trường hợp có cùng độ sâu

Thông thường người ta dùng phương pháp hỗn hợp - các tầng phía trên thì sử dụng hào ngoài, các tầng phía dưới thì sử dụng hào trong Chiều sâu hợp lý H để áp dụng hào ngoài

được xác định xuất phát từ sự cân bằng khối lượng hào ngoài của tầng ở độ sâu H với khối lượng hào trong (kể cả khối lượng bạt thêm bờ mỏ khi mở vỉa) của tầng kế tiếp

)tg3

)hH(2

b(i

)hH()tg3

H2

hH(i

hb)tg3

h2

hb4

Khi chiều cao tầng là 1015 m thì chiều sâu cuối cùng của hào ngoài có thể lấy 1520

m Nếu tính đến ưu điểm của hào ngoài trong thời kỳ xây dựng và khai thác, khi khối lượng xây dựng mỏ không lớn lắm thì có thể tăng chiều sâu của hào ngoài lên đến 30 m

Khối lượng xây dựng cơ bản và chiều sâu hào ngoài sẽ được xác định chính xác hơn khi tiến hành tính toán so sánh khối lượng mỏ trên các tầng vận chuyển qua hào và chi phí vận chuyển của mỏ với các phương án chiều sâu hào ngoài khác nhau

Chỉ tiêu kinh tế đặc trưng cho sự hợp lý của khối lượng công tác mở vỉa và chuẩn bị tầng là chi phí cho công tác chuẩn bị tính cho 1 m3 khối lượng mỏ do công trình đó phục vụ:

Ka =

m

xd o

V

C.V

, [đ/m3]  min (4-3) Trong đó: Vo - khối lượng công tác chuẩn bị, m3; Cxd - chi phí cho 1 m3 công tác chuẩn

bị, đ/m3; Vm - khối lượng mỏ (khoáng sản và đất bóc) khai thác được do công trình trên đã chuẩn bị, m3

Khi mở vỉa bằng hào trong thì:

Ka =

m

p xd o

V

b.VC

, [đ/m3]  min (4-4) Trong đó: Vp - khối lượng phụ bạt thêm bờ mỏ, m3; b - chi phí bóc 1 m3 đất đá, đ/m3 Trong nhiều trường hợp do yêu cầu cầu kỹ thuật, như để đơn giản hoá tuyến đường, giảm bớt hào cụt ở đoạn cuối cùng của hào trong,… thì chiều sâu cuối cùng của hào ngoài có thể tăng thêm một vài tầng Khi đó, mức tiết kiệm trong quá trình sản xuất vẫn lớn hơn so với mức chi phí để đào thêm hào ngoài

Với các mỏ lộ thiên lớn, chiều dày lớp đất phủ đáng kể thì chiều sâu của hào ngoài có thể đạt 40 m, nếu ở chiều sâu đó đảm bảo được việc mở rộng vỉa khoáng sàng Trường hợp

đó, có khả năng tách riêng các tuyến đường vận chuyển quặng và đất đá để thuận lợi cho công tác tổ chức vận chuyển trên mỏ

Khi khai thác các khoáng sàng có chiều dài theo đường phương hạn chế, chiều sâu mỏ lớn thì việc bố trí hào trong bám trụ vỉa hoặc không thực hiện được, hoặc phải bạt thêm một khối lượng lớn bờ mỏ để bố trí hào cụt hay hào lượn vòng Gặp trường hợp đó có thể khắc phục bằng cách tăng thêm chiều sâu cuối cùng của hào ngoài tới 6070 m, nhờ thế vẫn đảm bảo việc mở vỉa và cải thiện được hệ số bóc đất đá của thời kỳ đầu sản xuất của mỏ, tuy khối lượng xây dựng mỏ có tăng lên nhưng giảm được những khoảng cách vượt trước cần thiết của các tầng bóc đất đá phía trên

Khối lượng đào hào nghiêng tăng theo tỷ lệ bậc 3 với chiều sâu của hào, nhất là khi góc nghiêng thành hào nhỏ, do vậy chi phí đào hào tăng lên rất nhanh, có khi vượt quá chi phí đào

lò ngầm có cùng năng lực thông qua Khi đó cần tính toán so sánh 2 phương án đào hào nghiêng và đào lò ngầm Tính toán kinh tế các phương án có thể bỏ qua chi phí bảo dưỡng hào và lò ngầm bởi vì các chi phí đó xấp xỉ như nhau Thông thường thì phần trên dùng hào

nghiêng phần dưới dùng lò ngầm Biên giới giữa hào nghiêng và lò ngầm là độ sâu mà ở đó chi phí đào 1m dài hào nghiêng bằng chi phí đào 1 m dài lò ngầm

b(tgc

c

h

t t

Do ảnh hưởng của giá trị ( o 2

)tg2

3.4 Khái niệm về hệ thống khai thác mỏ lộ thiên

Để thu hồi khoáng sản có ích từ lòng đất bằng phương pháp lộ thiên người ta có thể áp dụng nhiều phương pháp khai thác khác nhau Tương ứng với mỗi phương pháp là một công nghệ và thiết bị sử dụng nhất định với một hiệu quả kinh tế đạt được trong hoạt động sản xuất kinh doanh là nhất định Do vậy, việc nghiên cứu, so sánh để lựa chọn được một công nghệ và thiết bị khai thác hợp lý, tương thích với điều kiện tự nhiên cụ thể của khoáng sàng thiết kế là hết sức cần thiết, vì nó trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả của hoạt động sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp trong suốt quá trình tồn tại của mỏ Phương pháp khai thác hợp lý cho mỗi khoáng sàng cụ thể đó được gọi là “hệ thống khai thác” (HTKT) của mỏ lộ thiên và được định

nghĩa là “Trình tự và phương thức tiến hành các công tác chuẩn bị, xúc bóc và khai thác, sao

cho mỏ lộ thiên hoạt động được an toàn, hiệu quả kinh tế cao, thu hồi tối đa tài nguyên lòng đất và tác động xấu tới môi trường là nhỏ nhất”

HTKT của mỏ lộ thiên có liên quan chặt chẽ tới đồng bộ thiết bị sử dụng trong mỏ HTKT được coi là hợp lý khi bảo đảm việc khai thác mang lại hiệu quả kinh tế cao, các máy móc thiết bị dùng trong các quá trình sản xuất chính và phụ hoạt động an toàn và có năng suất, các giải pháp công nghệ và kỹ thuật sử dụng ngăn ngừa có hiệu quả và hạn chế được các tác động làm suy giảm môi trường cũng như khắc phục tối đa các hậu quả xấu do khai thác lộ thiên gây

ra đối với môi trường Mối liên quan giữa HTKT với đồng bộ thiết bị sử dụng thể hiện ở sự tương thích giữa các thông số làm việc của khai trường (chiều cao và chiều rộng của tầng công tác, chiều rộng tầng vận chuyển, độ dốc đường hào, chiều dài tuyến công tác, chiều rộng

và chiều dài luồng xúc,…) với đặc tính kỹ thuật của các thiết bị sử dụng trong mỏ

Tuỳ theo tiêu chí so sánh mà có nhiều cách phân loại HTKT khác nhau

3.4.1 Phương pháp phân loại thứ nhất (E.F Sesko)

1 HTKT thải đá trực tiếp, còn có thể gọi là HTKT không có vận tải Đất đá thải được chuyển trực tiếp vào bãi thải bằng máy xúc hoặc thiết bị thải đá, mà không cần phương tiện vận tải

2 HTKT có vận tải Đất đá được đưa vào bãi thải bằng các phương tiện vận tải thông thường như đường sắt hoặc ô tô, đôi khi bằng băng tải

3 HTKT hỗn hợp - đồng thời sử dụng cả hai hình thức thải trực tiếp và dùng phương tiện vận tải để đưa đất đá vào bãi thải

3.4.2 Phương pháp phân loại thứ hai (N.V Menhikov)

1 HTKT có vận tải Đất đá được đưa vào bãi thải bằng máy xúc chuyển tiếp hoặc trực tiếp bằng máy xúc ở gương công tác

2 HTKT có thiết bị thải đá Đất đá được đưa vào bãi thải trong bằng các thiết bị thải di động như cầu thải đá hoặc thiết bị bãi thải

3 HTKT đặc biệt Đất đá được đưa vào bãi thải bằng máy xúc có tháp, máy xúc tải chạy bằng bánh lốp; phương pháp cơ-thuỷ lực, hoặc bằng cần cẩu cáp

4 HTKT có vận tải Đất đá thải được vận tải bằng đường sắt, ô tô, băng tải vào bãi thải trong hoặc bãi thải ngoài

5 HTKT hỗn hợp Thường đất đá ở các tầng trên được vận tải ra bãi thải ngoài hoặc bãi thải trong, còn đất đá ở các tầng dưới được đưa vào bãi thải trong trực tiếp bằng máy xúc hoặc cầu thải đá Hoặc phối hợp các hình thức khác của hệ thống 1, 2, 3 và 4

3.4.3 Phương pháp phân loại thứ ba (V.V Rjepxki)

Hai phương pháp phân loại trên dựa vào phương thức vận tải đất đá do đó nó chưa phản ánh đầy đủ những đặc tính cơ bản của từng HTKT Trong những năm gần đây, HTKT được phân loại trên cơ sở trình tự tiến triển công trình, phương tiến triển công trình và vị trí bãi thải của mỏ lộ thiên Với phương pháp phân loại này, các HTKT được chia thành hai nhóm: nhóm không xuống sâu (A) và nhóm xuống sâu (B) Trong mỗi nhóm (A và B) có bốn loại HTKT

và trong mỗi loại được phân biệt với nhau theo số lượng bờ công tác, vị trí bãi thải và hướng phát triển theo mặt cắt thẳng đứng của công trình mỏ (Bảng 5.1 và hình 5.1- a, b)

Bảng 5.1 Bảng phân loại HTKT mỏ lộ thiên của V.V Rjepxki

Ký

hiệu

Hướng phát triển Theo bình đồ

Vị trí bãi thải Hướng phát triển

Ngang, hai bờ công tác (h)

Rẽ quạt, tâm quay cố định (c)

Rẽ quạt, tâm quay thay đổi (t)

Vành khuyên ly tâm (g)

Vành khuyển hướng tâm (n)

Với bãi thải trong (a) hoặc bãi thải ngoài (b)

Lớp ngang (ng) hoặc lớp dốc nghiêng (d)

Ngang, hai bờ công tác (h)

Rẽ quạt, tâm quay thayđổi (t)

Vành khuyên ly tâm (g)

Với bãi thải ngoài (b)

Lớp ngang (ng) dốc nghiêng (d) hoặc dốc đứng (đ)

Chú thích: Cách ghi kí hiệu HTKT xuống sâu, tuyến công tác dọc, hai bờ công tác, bãi thải

ngoài, khai thác theo lớp dốc nghiêng: BD (h, b, d)

Nội dung của công tác thiết kế là chọn HTKT và đồng bộ thiết bị sử dụng trên cơ sở lập luận khoa học và so sánh các chỉ tiêu kinh tế của các phương án, tính toán các yếu tố của hệ thống khai thác (chiều cao tầng, chiều rộng mặt tầng công tác, chiều dài luồng xúc hợp lý,…) và các thông số chủ yếu của mỏ lộ thiên (kích thước khai trường, góc nghiêng bờ mỏ,…)

Câu hỏi ôn tập chương 3

1 Nội dung tổng quát của công tác mở vỉa một mỏ lộ thiên? Sự khác nhau của công tác

mở vỉa giữa mỏ đá và mỏ than? Giữa mỏ sa khoáng và mỏ kim loại gốc?

2 Trường hợp nào hào mở vỉa là hoàn chỉnh và không hoàn chỉnh?

3 Hãy nêu sự khác nhau về các thông số của hào chuẩn bị với hào cơ bản?

4 Khi nào thì hào cơ bản luôn ở trạng thái cố định? Trường hợp nào thì hào cơ bản ở tình trạng di động?

5 Thế nào là hào ngoài? Ưu nhược điểm của việc mở vỉa bằng hào ngoài? Trường hợp nào thì nên mở vỉa bằng hào ngoài?

6 Thế nào là hào trong? Ưu nhược điểm của việc mở vỉa bằng hào trong? Trường hợp nào thì nên mở vỉa bằng hào trong? Có thể mở vỉa bằng hào hỗn hợp (hào ngoài kết hợp hào trong) khi nào?

7 Thế nào là hệ thống khai thác (HTKT) của một mỏ lộ thiên?

8 E.F.Sêskô dựa vào tiêu chí nào để phân loại HTKT?

9 Sự khác nhau giữa cách phân loại của N.V Menhikôv?

10 Những tiêu chí của phương pháp phân loại HTKT của V.V Rjevxki là gì? Trình bày nội dung của các tiêu chí đo!

Chương 4 CHUẨN BỊ ĐẤT ĐÁ CHO XÚC BỐC

4.1 Khái niệm chung

Phần lớn đất đá mỏ có độ cứng lớn, không thể trực tiếp xúc chúng mà phải tiến hành làm tơi sơ bộ, tức là tiến hành tách chúng ra khỏi nguyên khối và đập vỡ chúng Đó là khâu công nghệ đầu tiên trong dây chuyền sản xuất trên mỏ lộ thiên

Việc chuẩn bị đất đá để xúc bốc có thể tiến hành theo phương pháp sau:

- Phương pháp cơ giới hoá (máy xới, búa thuỷ lực, máy phay cắt,…);

- Phương pháp khoan - nổ mìn;

- Phương pháp dùng sức nước (súng bắn nước, ống thấm rã…);

- Phương pháp vật lý (dòng điện cao tần, dòng thấp tần, nhiệt, hạt nhân…);

- Phương pháp hoá học

Việc lựa chọn phương pháp chuẩn bị đất đá để xúc bốc trước hết phụ thuộc vào những tính chất và cấu tạo của đất đá mỏ (tính chất cơ lý, tính chất hoá, thế nằm, cấu trúc vỉa, kiến tạo…), công suất của mỏ lộ thiên, thiết bị sử dụng và các yêu cầu về chất luợng sản phẩm mỏ (thành phần, cỡ hạt, hàm lượng thành phần có ích…) Ngoài ra còn phải quan tâm tới những yêu cầu về ổn định bờ mỏ, ổn định định sườn tầng trong quá trình là việc của mỏ Thông thường, phương pháp chuẩn bị đất đá để xúc bốc bằng khoan - nổ mìn được sử dụng phổ biến nhất, sau đó là phương pháp cơ giới Phương pháp sức nước cũng được dùng trong một số trường hợp Các phương pháp còn lại ít được sử dụng do giá thành cao, công suất nhỏ hoặc nguy hiểm như sử dụng năng lượng hạt nhân

4.2 Làm mềm đất đá bằng phương pháp hóa lý

Trong cơ chế thị trường với những cuộc đấu tranh nghiệt ngã về giá cả, buộc các mỏ lộ thiên phải thực hiện các biện pháp nâng cao chất lượng sản phẩm mỏ và giảm chi phí sản xuất, cũng như giảm vốn đầu tư cơ bản bằng cách áp dụng các giải pháp mới trong kỹ thuật và công nghệ khai thác mà phương pháp điều khiển thuộc tính cấu trúc độ bền của đất đá bóc là một trong những giải pháp đó Trong điều kiện mỏ có đất đá cứng vừa thì có thể tiến hành xúc bóc trực tiếp mà không cần nổ mìn nhờ xử lý khối đá bằng dung dịch làm mềm trên cơ sở các hoạt chất bề mặt, còn đối với mỏ có đất đá cứng thì tiến hành chuẩn bị bằng cách phối hợp khoan nổ với dung dịch làm mềm Bằng cách đó cho phép giảm đáng kể chi phí khoan nổ, cải thiện chất lượng đá cho khâu xúc bốc, nâng cao năng suất máy xúc, giảm chi phí năng lượng, cải thiện các chỉ tiêu môi sinh và dẫn đến giảm chi phí sản xuất

Hiện nay, trên các mỏ khai thác lộ thiên, hơn 80 % khối lương đất đá mỏ cần phải làm tơi sơ bộ để có thể xúc bốc bằng các máy xúc hiện có Việc làm tơi đất đá bằng khoan - nổ mìn phải sử dụng một chỉ tiêu thuốc nổ tới 0,40,5 kg/m3, đồng thời phải cần tới một số lượng lớn thiết bị khoan, phương tiện vận tải và công nhân phục vụ làm cho chi phí khoan -

nổ chiếm từ 2530 % giá thành chung Hơn nữa khi tiến hành nổ mìn sẽ làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng khoáng sản khai thác do sự trộn lẫn đất đá và KSCI ở lớp tiếp xúc giữa chúng Công tác khoan, đặc biệt là nổ mìn có ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh Kết quả thực nghiệm trên các mỏ lộ thiên nước ngoài cho thấy cứ 1m3 đất đá nổ mìn tung vào khí quyển trung bình 20 g bụi, 1 kg thuốc nổ phát tán vào khí quyển 100 lít khí độc hại Các chất độc hại từ bãi mìn có thể lan xa với khoảng cách trên 20 km Khối lượng của đám mây bụi khí khi nổ mìn chứa với lượng thuốc nổ trên 30 tấn đạt trên 19 triệu m3 Chiều dài phân bố của đám mây đạt từ 715 km và lớn hơn trong đám mây có chứa khí độc lớn nhất là ôxit nitơ, khí độc này tồn tại trong khí quyển tới 15 ngày Mặt khác, để đảm bảo an toàn khi tiến hành nổ mìn yêu cầu phải ngừng sản xuất mỏ theo chu kỳ và chuuyển thiết bị ra khỏi vùng ảnh hưởng của công tác nổ mìn, dẫn đến giảm năng suất thiết bị Rõ ràng là bằng phương pháp giảm độ bền của đất đá để có thể xúc bốc trực tiếp mà không cần làm tơi sơ bộ bằng nổ mìn, dẫn đến giảm chi phí nguyên vật liệu và cải thiện đáng kể điều kiện sinh thái của khu vực

Đất đá mỏ là các vật thể xốp có nguồn gốc tự nhiên với cấu trúc và thành phần hoá học rất đa dạng Sự tác động tương hỗ của các vật thể xốp này xảy ra trong môi trường biến tính nhờ thuộc tính đặc biệt của bề mặt Trong các khoảng trống của đất đá xuất hiện các quá trình thấm, tẩm ướt, sự hấp phụ, sự ngưng kết mao dẫn, các hiện tương điện động học v.v… Các quá trình trao đổi đó phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất đá mỏ, cũng như tính quy luật và cơ chế hấp phụ của các quá trình phá huỷ, biến dạng đất đá mỏ

Sự tác động tương hỗ của các phần tử chất lỏng trên bề mặt đất đá dẫn đến sự thay đổi lực tương tác giữa các phần tử, cấu trúc và độ bền của hệ thống xốp Do vậy, khi bổ sung chất phụ gia vào môi trường phân tán này sẽ làm thay đổi điện tích hay tính háo nước bề mặt của các phân tử Các chất phụ gia này có thể là muối, ôxit, chất kiềm hoặc chất hoạt tính bề mặt hữu cơ

Vai trò của chất hoạt tính bề mặt trong quá trình tác động qua lại hoá - lý của các dung dịch nước với bề mặt đất đá rất đa dạng Trước hết, chất hoạt tính bề mặt làm tăng tính háo nước của bề mặt đất đá, tạo khả năng thấm ướt bề mặt vật liệu, đặc biệt là các lỗ nhỏ, đảm bảo

sự hình thành các màng mỏng thấm ướt và hấp thụ nước trong đất đá Bằng cách như vậy, chúng tạo ra khả năng vận chuyển nước và nhờ các cation hyđrát hoá chưa trong đó mà dãn tới sự hình thành màng dung dịch thấm ướt, điều này làm xuất hiện các lực bề mặt Sự hấp thụ phân tử hay ion chất hoạt tính bề mặt trên bề mặt đất đá có thể tạo khả năng dẻo hoá vật liệu

Sự tác động qua lại của đất đá mỏ với môi trường nước xảy ra nhờ quá trình thấm và hút Dung dịch nước khi thấm theo các kẽ nứt, do sự mao dẫn làm lấp đầy không gian lỗ hổng của đất đá Trong quá trình thấm và hút của dung dịch trên bề mặt vật liệu đất đá hình thành một màng thấm ướt làm thay đổi mật độ dung dịch và có thể dẫn đến thay đổi cấu trúc của đất

đá xốp

Thực nghiệm chỉ ra rằng để xử lý các bề mặt phía trong và phía ngoài nhằm lấp đầy khoảng trống trong đất đá mỏ, đồng thời làm mềm có hiệu quả chúng cần sử dụng dung dịch nước có ứng suất thấm ướt cao tuỳ theo từng loại đất đá cụ thể Các dung dịch đó có thể là dung dịch chứa chất hoạt tính bề mặt và các chất phụ gia khác có chứa các cation và nồng độ

pH cao

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy việc làm mềm alêvrôlit có thể đạt 50 %, còn đất đá cứng không lớn hơn 35 % Khi đó hệ số dòn của đất đá (tỷ số giữa độ bền nén và độ bền kéo) sau quá trình tác động làm mềm của dung dịch được tăng lên

Ngoài ra, sự bão hoà các lỗ rỗng của đất đá làm giảm tương đối mức độ tạo thành bụi khi phá huỷ Sự giảm độ bền của đất đá bằng dung dịch làm mềm cũng dẫn đến làm giảm đáng kể sự mài mòn các dụng cụ phá huỷ đất đá Ở áp suất nhất định có thể làm giảm sự mài mòn kim loại khoảng 2 lần, còn hợp kim cứng 5 lần

Các thực nghiệm công nghiệp trên các mỏ lộ thiên của Nga cho thấy, mặc dù không dùng khoan nổ mìn, nhưng chi phí năng lượng cho khâu xúc bốc giảm xuống nhiều Năng lượng trung bình phá huỷ khối đá khí làm mềm bằng phương pháp hoá - lý không vượt quá 65 kWh/t, trong khi làm tơi bằng phương pháp khoan nổ mìn là 90 kWh/t, còn đối với đá nguyên khối là lớn hơn 180 kWh/t Năng suất máy xúc rôto tăng từ 3200 lên 4300 t/h khi khai thác khối đá được làm mềm bằng phương pháp hoá - lý Sự tạo thành bụi khi phá huỷ và xúc bốc cũng giảm tới 3035 %

Để chuẩn bị cho xúc bốc đất đá cứng trong trường hợp làm mềm bằng phương pháp hoá

- lý không đạt được mức độ cần thiết cho máy xúc làm việc cần sử dụng phương pháp phối hợp - đó là làm mềm bằng phương pháp hoá lý kết hợp khoan nổ mìn Trong trường hợp này mức tiết kiệm thuốc nổ có thể đạt tới 3035 %, cải thiện được điều kiện sinh thái, giảm khối lượng khoan, cải thiện được chất lượng chuẩn bị đống đá cho để xúc bốc (giảm cỡ hạt đất đá tới 30 % so với khoan nổ mìn thông thường), giảm chi phí năng lượng, cải thiện các chỉ tiêu sinh thái và dẫn đến giảm chi phí sản xuất Khi đó sự làm mềm hoá - lý được xem như là một trong những yếu tố điều khiển các thông số khoan nổ mìn nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khoan - nổ, giảm ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái

Thực tế cũng cho thấy phương pháp làm mềm đất đá bằng hoạt tính bề mặt sẽ giữ cấu trúc vĩ mô, nên đảm bảo giảm tổn thất và làm bẩn khoáng sản có ích trong quá trình khai thác.Với mục đích để xác định mức độ làm mềm và các thông số công nghệ mẫu, trên một số

mỏ khai thác lộ thiên của LB Nga đã tiến hành thử nghiệm chuẩn bị đất đá cứng để xúc bốc bằng phương pháp kết hợp và đưa ra trật tự tiến hành cùng các thông số cơ bản sau:

1 - Khu vực xúc được khoan thành các lỗ khoan theo mạng 8x8 m (thay cho mạng 6.5x6,5 m) Giữa các mạng lỗ khoan nổ mìn tiến hành khoan các lỗ khoan phụ với độ sâu bằng 1/3 chiều cao tầng

2 - Dung dịch làm mềm bao gồm khối lượng chất hoạt tính bề mặt là 0,1 % NaCl hay

Na2CO3 là 0,5 % (phụ thuộc vào hàm lượng cacbonat có trong đất đá) Chỉ tiêu của dung dịch đối với công nghệ đã nêu không vượt quá 12 l/m3 đất đá Dung dịch được chia theo lỗ khoan phụ

3 - Giữ nguyên khu vực trong ngày sau khi nạp dung dịch

4 - Nạp thuốc nổ vào trong các lỗ khoan Chỉ tiêu thuốc nổ giảm từ 0,41 kg/m3 xuống còn 0,28 kg/m3 nhờ mở rộng mạng lỗ khoan

4.3 Chuẩn bị đất đá bằng công nghệ đặc biệt

Tờ Ugol số 10 xuất bản năm 1995 (LB Nga) thông báo rằng người ta đã nghiên cứu thành công chất phá đá NPV-7B bao gồm vôi sống và 2/3 chất phụ gia trộn với tỷ lệ 36 % để phá vỡ đất đá mà không cần nổ mìn Các lỗ khoan được bố trí trong mạng theo các thông số xác định, sau đó bơm đầy bơm đầy dung dịch NPV-7B với nước Do phản ứng hoá học chất này đông kết và trương nở tạo áp lực lớn lên thành lỗ khoan Khi áp lực này vượt giới hạn bền của đất đá vây quanh thì bắt đầu xuất hiện các nứt nẻ trong khối đá Quá trình hyđrat hoá làm

áp suất tiếp tục tăng dẫn đến sự mở rộng dần khe nứt cho đến khi khối đá bị phá vỡ hoàn toàn Quá trình hoạt động của NPV-7B không gây chấn động, không bụi, không xả khí độc vào môi trường Phương pháp này gọi là công nghệ phá đá sạch ở nhiệt độ thấp

Gần đây, công ty Cardox International đã chế tạo thành công thiết bị phá đá Cardox Tube Thiết bị này sử dụng khí đioxit cacbon để tạo ra một lực nén cực mạnh làm rạn nứt và phá vỡ bề mặt khối đá đồng thời nâng các tảng đá bị phá vỡ lên trên bề mặt Cardox Tube làm việc hiệu quả không thua kém gì so với việc dùng thuốc nổ, không bụi rất an toàn người vận hành không cần tránh xa như nổ mìn Lần đầu thiết bị này được sử dụng để phá vỡ các mỏ than có nguy cơ về cháy nổ, nhưng hiện nay nó được dùng trong các mỏ khai thác quặng, vật liệu xây dựng,… ở Anh và nhiều nước khác

4.4 Những vấn đề cơ bản khi chuẩn bị đất đá bằng nổ mìn

Phương pháp chuẩn bị đất đá bằng nổ mìn được áp dụng rộng rãi trên các mỏ lộ thiên có đất đá cứng và cứng vừa Trên thực tế, đây là phương pháp phổ biến nhất để phá vỡ đất đá cứng nhằm chuẩn bị cho xúc bóc Việc tổ chức công tác nổ mìn và chất lượng của đống đá nổ mìn có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả hoạt động của các thiết bị mỏ khác và đến giá thành sản phẩm mỏ

Những yêu cầu cơ bản của phương pháp chuẩn bị đất đá bằng nổ mìn là:

1- Đất đá sau khi nổ phải có cỡ hạt phù hợp với yêu cầu của các công đoạn sản xuất tiếp theo;

2- Sự sai lệch về cao độ, kích thước và hình dạng của mặt tầng là nhỏ nhất;