tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 25 độ vùng quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÙI THANH NHU NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DI ĐỘNG DÙNG TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CÓ GÓC DỐC Đ

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

BÙI THANH NHU

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DI ĐỘNG DÙNG TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CÓ GÓC DỐC ĐẾN 250

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Máy và thiết bị mỏ, Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Đinh Văn Chiến, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

2 PGS.TS Tăng Huy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TS Nguyễn Hữu Liên, Bộ khoa học Công nghệ

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc

Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Theo chiến lược phát triển ngành than đến năm 2020, tầm nhìn đến năm

2030, sản lượng than khai thác dự kiến khoảng 50 triệu tấn, trong đó khai thác hầm lò chiếm tỉ lệ ngày càng lớn

- Có nhiều loại thiết bị chống giữ trong hầm lò, tuy nhiên cho đến nay, giá khung thủy lực là loại được nhiều mỏ lựa chọn để đưa vào chống giữ do nhiều ưu điểm về kết cấu, vận hành, an toàn và hiệu quả

- Tuy nhiên, việc áp dụng thiết bị chống lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như điều kiện địa chất, thế nằm của vỉa, áp lực mỏ, mức độ bùng nền, công nghệ khai thác…Vì vậy để sử dụng có hiệu quả các loại giá khung thủy lực

di động trong điều kiện hầm lò Việt Nam cần phải có những nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn những thông số hợp lý dùng phù hợp trong khai thác

hầm lò Do vậy việc: “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến

25 0 vùng Quảng Ninh” của đề tài là cấp thiết và đúng hướng

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra một phương pháp tính toán nghiệm bền dựa trên các cơ sở lý thuyết, thực nghiệm để lựa chọn được kích thước hợp lý của mái trên, cột chống giá khung thủy lực di động loại ZH 1600/16/24Z phù hợp với điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh có góc dốc đến 250

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng cụ thể là giá khung thủy lực di động loại ZH 1600/16/24Z, đó

là loại giá khung được sử dụng ở Nam Mẫu, Vàng Danh,…, bước đầu được đánh giá tương đối phù hợp với điều kiện kỹ thuật khai thác than mỏ hầm lò

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán kích thước hợp lý, nghiệm bền chi tiết mái trên và cột chống của giá khung thủy lực di động ZH 1600/16/24Z trong điều kiện góc dốc vỉa đến 250

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lập trình tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1 Ý nghĩa khoa học:

- Thực nghiệm: Thống kê áp lực làm việc của giá khung thủy lực di động tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc

- Xây dựng phương pháp tính toán lựa chọn thông số hình học, vật liệu của mái trên, cột chống hợp lý, phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

5.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực di động phục vụ khai thác than hầm lò Các kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị tư vấn thiết kế mỏ và thiết bị mỏ, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại

học và sau đại học

6 Nội dung luận án

Luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng quá trình chịu lực, độ ổn định và khảo sát thực tiễn giá khung thủy lực di động chống ở mỏ hầm lò Nội dung luận án gồm 4

chương chính làm rõ một số vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu lựa chọn một

số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 25 0 vùng Quảng Ninh”

7 Luận điểm bảo vệ

- Thực nghiệm: Thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc có thể tính toán áp lực làm việc thực tế của giá khung thủy lực di động tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

- Dùng giả thiết thanh hai bậc, ứng suất tương đương Von-Mises để tính toán độ bền, độ ổn định của cột chống

- Sử dụng phương pháp lập trình tính toán được các kích thước hợp lý dành cho mái trên và cột chống dựa trên các điều kiện: tải trọng ban đầu và vật liệu chế tạo

- Tính toán, lựa chọn được kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống giá khung thủy lực ZH 1600/16/24Z trong điều kiện làm việc góc dốc đến 25o

8 Điểm mới của luận án

- Xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập được mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá với lực tác dụng

- Từ lý thuyết cơ sở đã xây dựng được các quan hệ để tính toán độ dày thành xylanh cột chống phụ thuộc vào áp suất trong xylanh và giới hạn bền của vật liệu, giá trị áp suất lớn nhất mà xylanh có thể làm việc với giới hạn bền của vật liệu cho trước Việc tính toán độ ổn định của xylanh cột chống với mô hình thanh chịu nén đúng tâm có tiết diện hai bậc phản ánh đúng điều kiện làm việc của cột chống và làm căn cứ xác định chính xác hơn kết quả tính toán

- Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động đang

sử dụng trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu thống kê và kết quả thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong nước tại Công ty than Nam Mẫu, khẳng định sự cần thiết lựa chọn thông

số giá khung dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật mỏ than vùng Quảng Ninh để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị

- Xây dựng phương pháp lựa chọn thông số hợp lý của giá khung thủy lực

di động dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

- Từ phương pháp đề xuất, xác định được một số thông số hợp lý của mái trên và cột chống theo điều kiện làm việc của mỏ hầm lò có góc dốc đến

250

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG KHAI

THÁC THAN HẦM LÒ 1.1 Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

Qua kết quả đánh giá tổng hợp điều kiện địa chất–kỹ thuật mỏ các khu vực có khả năng áp dụng cơ giới hoá có thể nhận định rằng, để triển khai

áp dụng rộng rãi công nghệ khai thác cơ giới hoá khấu than tại vùng Quảng Ninh cần tiến hành tập trung nghiên cứu giải quyết xây dựng các sơ

đồ công nghệ khai thác cơ giới hoá trong một số phạm vi điều kiện áp dụng Trong các phạm vi giới hạn về chiều dày và góc dốc vỉa, khi lựa chọn mô hình cơ giới hoá cần đề cập đến mối tương quan với yếu tố chiều dài theo phương khu vực khai thác

1.2 Giới thiệu thiết bị chống ở một số nước trên thế giới

1.3 Giới thiệu thiết bị chống ở các mỏ hầm lò Việt Nam

Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z

Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z là sản phẩm chống đỡ loại nhẹ giữa giá chống xà treo và giá chống thủy lực trong khai thác than do Trung Quốc chế tạo, được nhập và sử dụng tại Việt Nam từ năm 2006

Ưu điểm:

+ Diện tích chống đỡ lớn, cường độ chống đỡ cao

+ Thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, di động linh hoạt, dễ lắp ráp, dễ điều khiển

+ Tháo lắp đơn giản, thuận lợi cho công tác vận chuyển

+ Toàn bộ giá liên kết thành tổ hợp bằng xà đỡ, nâng cao tính ổn định của giá, tạo một môi trường làm việc an toàn

+ Thao tác đơn giản, nâng cao trình độ tự động hóa, giảm bớt cường độ lao động của công nhân

Nhược điểm: Khả năng kết hợp với cơ giới hóa không cao

TT Các thông số kỹ thuật cơ

6 Bước tiến của tấm đỡ gương mm 800

12 Góc dốc làm việc của giá độ  25

Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z

Hình 1.2 Mô hình tổng quát giá khung thủy lực di động

Hình chiếu đứng

Hình chiếu bằng Hình chiếu cạnh

1.4 Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc và Việt Nam; Vấn đề nghiên cứu của luận án

1.4.1 Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc

Trong quá trình làm việc của giá khung, bộ phận chịu tải chủ yếu là mái trên, do đó để tiến hành thiết kế và phân tích giá khung nói chung cần phải tiến hành phân tích các tình huống chịu tải của mái trên Trong diện khấu tổng thể, do vách vỉa bất định, không bằng phẳng và tồn tại những khối đất đá, nên các tình huống làm việc khắc nghiệt của mái trên về phương diện chịu tải được chia làm 4 hình thức chủ yếu sau đây: Mái trên chịu tải trọng tập trung về hai phía; Mái trên chịu tải tập trung tại chính giữa; Mái trên chịu tải xoắn; Mái trên chịu tải lệch một bên

1.4.2 Tại Việt Nam

1.4.2.1 Phương án 1: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực

phân bố Q=320N/mm, với khoảng cách các cột là Lmin = 1,95m Có xét đến bước sập đổ 0,8m

1.4.2.2 Phương án 2: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực

phân bố Q = 320N/mm, với khoảng cách các cột là Lmax = 1,95m Không tính đến bước sập đổ

1.4.2.3 Phương án 3: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực

phân bố Q=560N/mm, với khoảng cách các cột là Lmax = 1,95m Không tính đến bước sập đổ và các lực tác động khác

1.4.3 Vấn đề nghiên cứu của đề tài luận án

Từ những kết quả nghiên cứu về thiết bị chống trong khai thác hầm

lò ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy: Việc áp dụng giá khung di động tại các mỏ than hầm lò là phù hợp Đã nâng cao hiệu quả,

an toàn, giảm tổn thất tài nguyên trong khai thác than hầm lò

Việc nghiên cứu, tính toán của nhóm nghiên cứu tại Việt Nam cũng như trên thế giới đã đưa ra khá phong phú phương pháp nghiệm bền khung giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z, mặc dù vậy mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, nhược điểm khác nhau Những phương pháp này chủ yếu

đi sâu về nghiệm bền chi tiết đã có sẵn dựa trên các công thức sức bền vật liệu kinh điển và mô phỏng mà chưa chỉ ra được phương pháp tính toán kích thước hình học cụ thể theo từng điều kiện làm việc

Chính vì vậy trong luận án này NCS sẽ tiếp tục nghiên cứu, tính toán, đưa ra phương pháp nghiệm bền, lựa chọn kích thước hợp lý cho chi tiết chính của giá khung thủy lực di động ZH 1600/16/24Z (mái trên và cột chống) trong khai thác than hầm lò có góc dốc vỉa đến 250 vùng Quảng Ninh

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN, GIÁ

KHUNG THỦY LỰC

Giá khung thủy lực dùng để chống giữ khoảng không gian trong khai thác hầm lò Để tính toán thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực cần nghiên cứu lý thuyết về tác động tương hỗ giữa vì chống và đá mỏ; ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì chống và

kết cấu mái nhằm mục đích giảm thiểu khối lượng và lựa chọn được kết cấu hợp lý Định luật Húc cho phép tính toán sự chuyển vị và biến dạng của mái trên, cột chống

Dựa vào lý thuyết nêu trên, cho phép tính toán, lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực dùng trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh có góc dốc đến 250

Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ

THÔNG SỐ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC 3.1 Nghiên cứu khả năng chịu tải của giá khung

3.1.1 Các bước công nghệ khai thác than

3.1.2 Số liệu về việc sử dụng giá khung thủy lực di động của Tập đoàn Than- Khoáng sản Việt Nam (phụ lục 4)

- Tập đoàn đã có 10 công ty trong đó 41 lò chợ hiện đang sử dụng

giá khung thủy lực di động vào việc chống giữ lò chợ Chiều dài lò chợ từ

40 đến 140 m; độ dốc lò chợ từ 5 đến 25 độ; áp suất làm việc: Thấp nhất là

7 MPa, cao nhất là 31 MPa

- Biểu đồ mô tả số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo

áp suất lò chợ tác dụng lên giá khung(hình 3.1)

Hình 3.1 Số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo áp suất

lò chợ tác dụng lên giá khung

3.1.3 Kết quả áp dụng thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong nước tại Công ty than Nam Mẫu - Vinacomin

- Phần cơ khí các giá khung đảm bảo chắc chắn, chống giữ lò chợ đảm bảo

an toàn, khả năng làm việc ổn định

- Hệ thống thủy lực được nhập khẩu đảm bảo cung cấp dịch cho giá khung hoạt động ổn định Cột chống sản xuất trong nước chất lượng tốt, hoạt động bình thường, đảm bảo chống giữ lò chợ

- Việc theo dõi áp lực mỏ lên các bộ giá khung thử nghiệm trong lò chợ được tiến hành đo đạc thường xuyên trong các ca khai thác bằng đồng hồ

đo áp lực tự ghi kỹ thuật số LEO Record (Ei) Đồng hồ được lắp đặt tại cột chống luồng phá hỏa bên phải giá số 5

- Qua theo dõi diễn biến áp suất tại mười bộ giá khung áp dụng thử nghiệm, áp suất dao động trong khoảng từ 6  19 MPa, nằm trong khả năng chịu tải của giá khung, không có các biến động lớn gây

nguy hiểm đến công tác an toàn, các biến động nhỏ nằm trong tầm

kiểm soát, các bộ giá khung vẫn đảm bảo chống giữ lò chợ ổn định

Nhận xét: Từ 2 số liệu của Ban cơ khí Tập đoàn Than- Khoáng sản

Việt Nam và theo dõi thử nghiệm tại Công ty than Nam Mẫu của Viện khoa học và công nghệ mỏ cho thấy áp lực mỏ dao động trong khoảng từ 6 – 31MPa Số liệu này để làm căn cứ cho việc tính toán giá khung của luận

án

3.1.4 Phân tích về khả năng chịu tải của giá khung:

- Trong khi làm việc tổng tải trọng lớn nhất tác dụng lên mái là Q =

160 tấn, tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột chống thủy lực (hình 3.5)

- Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng hình chỏm cầu, chính vì vậy có thể “tự lựa” trong quá trình vận hành

- Giả thiết trong quá trình làm việc tải trọng được phân bố đều trên toàn bộ diện tích mặt trên của mái(hình 3.7)

- Tải trọng tác dụng lên các cột chống được lấy gần đúng là P= Q/4

- Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 00cho tới 250 tải trọng tác dụng lên giá khung được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn (  Q   Q cos )

3.5

Hình 3.6 Kết cấu của cột chống thủy lực

Hình 3.7 Giả thiết về khả năng chịu tải của mái trên

3.2 Tính toán mái trên

3.2.1 Thiết lập công thức kiểm nghiệm độ bền mái trên

Hình 3.8 Mô hình tính toán kiểm nghiệm bền cho mái trên

Hình 3.5 Giá khung thủy lực ZH 1600/16/24Z

Phương trình cân bằng lực và mô men được xác định như sau:

   1 2   0

Y P i R R qL (3.1)

2 2

2 2 1 2

2 1 2

1 1

1

2 0 2 2 2

1 2

2

1 2

1

2

1 2

1

L

L L L

L

q

R

(3.3)

Tính toán mô men quán tính mặt cắt ngang

Diện tích các phần của mặt cắt được xác định là:

0 0 3 3 2 2 1 1 0

0 0 3 3 3 2 2 2

; 12

h b J

; 12

h b J

; 12

h b

J

3 0 0 0

3 3 3 3

3 2 2 2

3 1 1

0 3 2

2 0 1

0 1

2

1 4 F h h 2

1 2 F h

h

2

1

S         (3.15) Tọa độ trọng tâm của mặt cắt được xác định là:

0 x

; h

b h b h b h b

h b h h 2 h b h h h b h h

2

1

0 0 3 3 2 2 1 1

3 3 2 0 3 2 2 2 0 1 1 0 1

Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt và mô men tổng

được xác định:

2 c

2 c

2 c

2

y 1

y 1

I I 2I 4I 4I

y 1

0 1

2

hh

;y2

hhmax

x Max

I

z M Max





 (3.19) Trong đó:

2

1

; 2

qL q

R

; qL 2

1 Max z

M

Max (3.20)

3.2.2 Nghiệm bền mái trên của giá khung ZH 1600/16/24Z

Bảng 3.1 Kết quả tính toán của mái trên trường hợp chịu tải 160 tấn

h0 200 FS 30832 SxS -619792 IxS 235210067