Nghiên cứu công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam

Nghiên cứu yêu cầu đối với công tác vận tải và đánh giá khả năng sử dụng các công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam .... Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam có đặc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả đã trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng 2 năm 2015

Tác giả luận án

Đỗ Ngọc Tước

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN SÂU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5

1.1 Tổng quan hiện trạng công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên 5

1.1.1 Phân loại mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 7

1.1.2 Hiện trạng công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam 8

1.1.3 Hiện trạng công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên sâu nước ngoài 12

1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá trong và ngoài nước 20

1.2.1 Tổng quan về các công trình nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam 20

1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu công nghệ vận tải tại các mỏ lộ thiên nước ngoài 21

1.2.3 Phân tích các kết quả nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá 23

1.3 Kết luận Chương 1 24

Chương 2 ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CÁC CÔNG NGHỆ VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN SÂU VIỆT NAM 26

2.1 Đặc điểm các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 26

2.1.1 Đặc điểm hình học mỏ 26

2.1.2 Đặc điểm địa chất công trình 27

2.1.3 Đặc điểm khí hậu - thủy văn 28

2.1.4 Đặc điểm công tác đào sâu 28

2.2 Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới công tác vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam 29

2.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố tự nhiên đến công tác vận tải mỏ 29

2.2.2 Ảnh hưởng của yếu tố kỹ thuật đến công tác vận tải mỏ 30

2.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố tổ chức tới công tác vận tải 32

2.3 Nghiên cứu yêu cầu đối với công tác vận tải và đánh giá khả năng sử dụng các công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 32

2.3.1 Kế hoạch khai thác tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 32

2.3.2 Yêu cầu đối với công tác vận tải 33

2.3.3 Đánh giá khả năng sử dụng các công nghệ vận tải tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 34

2.4 Kết luận Chương 2 39

Chương 3 NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ CHO CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN SÂU VIỆT NAM 41

3.1 Nghiên cứu xác định kích thước cỡ hạt tối ưu cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 41

3.2 Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ vận tải ô tô đơn thuần 46

3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn tải trọng tối ưu của ô tô theo dung tích gàu xúc 46

3.2.2 Tốc độ chuyển động của ô tô 59

3.2.3 Tiêu hao nhiên liệu của ô tô 59

3.2.4 Nghiên cứu quan hệ chiều rộng ô tô với khối lượng đất đá mở rộng đường 60

3.3 Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ vận tải băng tải 63

3.3.1 Chiều rộng băng tải 63

3.3.2 Tính toán tốc độ chuyển động của băng tải 64

3.3.3 Kích thước cỡ hạt lớn nhất khi vận chuyển bằng băng tải 65

3.3.4 Lực cản chuyển động 67

3.4 Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ vận tải trục tải 71

3.4.1 Năng suất giờ của trục 71

3.4.2 Tốc độ vận tải của trục 72

3.4.3 Thời gian 1 chu kỳ chuyển động của trục 72

3.4.4 Tải trọng lựa chọn của trục tải 73

3.4.5 Tốc độ trung bình của trục 73

3.4.6 Tính trọng lượng 1 m cáp trục 73

3.4.7 Hệ số độ bền của cáp 73

3.4.8 Công suất cần thiết của động cơ 74

3.5 Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ vận tải liên hợp 74

3.5.1 Nghiên cứu lựa chọn vị trí tầng tập trung trong nhóm tầng 74

3.5.2 Nghiên cứu xác định chiều sâu chuyển tiếp các dạng vận tải 78

3.5.3 Nghiên cứu xác định số tầng tập trung trong đới công tác vận tải liên hợp 82

3.6 Kết luận Chương 3 84

Chương 4 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ HỢP LÝ CHO CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN SÂU VIỆT NAM 86

4.1 Nghiên cứu cơ sở lựa chọn công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam 86

4.2 Nghiên cứu các chỉ tiêu công nghệ vận tải ô tô cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam 90

4.2.1 Tính toán số lượng ô tô đảm bảo khối lượng mỏ yêu cầu 90

4.2.2 Khả năng thông qua của đường ô tô 91

4.2.3 Tiêu hao năng lượng khi vận tải ô tô 92

4.2.4 Xác định giá thành vận tải ô tô đơn thuần 95

4.3 Nghiên cứu các chỉ tiêu công nghệ vận tải băng tải cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam 97

4.3.1 Tiêu hao năng lượng đối với băng tải thường 99

4.3.2 Tiêu hao năng lượng đối với băng tải dốc 100

4.3.3 Xác định giá thành vận tải băng tải 102

4.4 Nghiên cứu các chỉ tiêu công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam 104

4.4.1 Tiêu hao năng lượngkhi sử dụng công nghệ vận tải bằng trục tải 105

4.4.2 Xác định giá thành vận tải trục tải 107

4.5 Lựa chọn công nghệ vận tải hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam 109

4.5.1 Phạm vi sử dụng các công nghệ vận tải theo tiêu chí năng lượng 109

4.5.2 Đánh giá phạm vi sử dụng công nghệ vận tải theo tiêu chí giá thành vận tải 111

4.5.3 Lựa chọn công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam theo tiêu chí kinh tế 114

4.5.4 Lựa chọn công nghệ vận tải khi kể đến yếu tố môi trường 121

4.5.5 Lựa chọn công nghệ vận tải cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam 122

4.6 Tính toán cho mỏ Cao Sơn 124

4.6.1 Khái quát chung về mỏ Cao Sơn 124

4.6.2 Kế hoạch khai thác và đổ thải mỏ Cao Sơn 124

4.7 Kết luận Chương 4 131

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133

1 Kết luận 133

2 Kiến nghị 134

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

PHẦN PHỤ LỤC 143

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QH60 Quy hoạch phát triển ngành than đến năm 2015, xét

triển vọng đến 2025

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Khối lượng mỏ đã thực hiện tại một số mỏ than lộ thiên Việt Nam 6

Bảng 1.2: Một số chỉ tiêu cơ bản của các mỏ than lộ thiên 8

Bảng 1.3: Các thông số cơ bản của HTKT tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 9

Bảng 1.4: Giá thành đơn vị các khâu công nghệ tại các mỏ lộ thiên vùng Cẩm Phả 11

Bảng 1.5: Các chỉ tiêu kỹ thuật đồng bộ dây chuyền công nghệ ô tô - băng tải nghiêng tại một số nước trên thế giới 15

Bảng 1.6: Thông số băng tải dốc tại một số mỏ trên thế giới 17

Bảng 2.1: Lượng nước chảy vào mỏ theo trận mưa lớn nhất trong ngày đêm 28

Bảng 2.2: Giá trị hệ số ảnh hưởng đến năng suất thiết bị và chiều sâu khai thác mỏ 31

Bảng 2.3: Khối lượng mỏ yêu cầu tại một số mỏ lộ thiên theo QH 60 33

Bảng 2.4: Phạm vi sử dụng các công nghệ vận tải mỏ lộ thiên 35

Bảng 3.1: Kích thước cỡ hạt tối ưu theo các loại máy xúc 44

Bảng 3.2: Chiều dài bloc xúc tối ưu theo dung tích gàu xúc và chiều cao tầng 51

Bảng 3.3: Dung tích gàu xúc tính toán tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 52

Bảng 3.4: Tải trọng ô tô tối ưu theo dung tích gàu xúc và cung độ vận tải 56

Bảng 3.5: Tải trọng, số lượng ô tô và năng suất năm của tổ hợp máy xúc - ô tô lựa chọn theo chiều cao nâng tải tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam 58

Bảng 3.6: Khối lượng đất đá cần bóc thêm khi sử dụng ô tô vận tải và chiều sâu mỏ 62

Bảng 3.7: Giá trị các hệ số C1 và C2 của băng với 3 con lăn 63

Bảng 3.8: Tốc độ băng với khoảng cách giữa các con lăn và góc dốc băng tải 65

Bảng 3.9: Kích thước cỡ hạt lớn nhất theo bề rộng băng và góc nghiêng con lăn 67

Bảng 3.10: Các phương án vận tải trên chiều cao đới công tác 79

Bảng 3.11: Mối quan hệ giữa giá trị tầng tập trung tối ưu với chiều cao đới công tác và khối lượng mỏ 84

Bảng 4.1: Tỷ trọng chi phí của các chỉ tiêu công nghệ vận tải theo tải trọng ô tô 89

Bảng 4.2: Quan hệ giữa tiêu hao năng lượng đơn vị của ô tô theo độ dốc 93

Bảng 4.3: Tính toán các hệ số aq và bq 94

Bảng 4.4: Các chỉ tiêu KTKT các công nghệ vận tải 117

Bảng 4.5: Khối lượng chất thải thành phần khi vận tải ô tô với chiều sâu khai thác 122 Bảng 4.6: Công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt nam 123 Bảng 4.7: Lịch khai thác mỏ than Cao Sơn 127 Bảng 4.8: Chỉ tiêu phương án chọn công nghệ vận tải đất đá mỏ Cao Sơn 130 Bảng 4.9: Khối lượng phát thải của ô tô theo chiều sâu khai thác mỏ Cao Sơn 131

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Phân bố chi phí trung bình của các khâu công nghệ trong giai đoạn sản

xuất từ năm 2009÷2012 tại mỏ Cọc Sáu 10

Hình 1.2: Phân bố vốn đầu tư cho các khâu công nghệ tại mỏ Cọc Sáu 10

16

-thiên ""Muruitau" 18

Hình 2.1: Biểu đồ V, P, Lct=f(H) mỏ than Cọc Sáu 26

Hình 2.2: Biểu đồ V, P, Lct=f(H) mỏ than Cao Sơn 27

Hình 2.3: Biểu đồ V, P=f(H) mỏ than Na Dương 27

Hình 2.4: Các vùng sử dụng hình thức vận tải hợp lý trong khai trường 34

Hình 2.5: Phạm vi sử dụng ô tô và ô tô - băng tải ở mỏ Muruitau 36

Hình 2.6: Quan hệ giá thành vận tải của các dạng vận tải với chiều sâu mỏ 37

Hình 2.7: Sự phụ thuộc chi phí lao động của các dạng vận tải với chiều sâu mỏ 38

Hình 3.1: Quan hệ giữa kích thước cỡ hạt đất đá nổ mìn trung bình tối ưu và dung tích gàu xúc của MXTL khi sử dụng máy khoan đường kính dk=250 mm và yêu cầu đập nghiền 45

Hình 3.2: Quan hệ giữa kích thước cỡ hạt đất đá nổ mìn trung bình tối ưu và dung tích gàu xúc của MXTG khi sử dụng máy khoan đường kính dk=250 mm và yêu cầu đập nghiền 45

Hình 3.3: Giao diện tính cỡ hạt đất đá trung bình tối ưu khi sử dụng máy khoan đường kính dk=250 mm và yêu cầu đập nghiền 45

Hình 3.4: Sự phụ thuộc giá thành đơn vị của máy xúc vào chiều cao tầng với các loại máy xúc khác nhau 48

Hình 3.5: Quan hệ giữa dung tích gàu xúc với chiều cao tầng và chiều dài bloc máy xúc hợp lý 52

Hình 3.6: Quan hệ giữa đơn giá ca máy hoạt động với tải trọng ô tô 54

Hình 3.7: Quan hệ giữa đơn giá ô tô với tải trọng ô tô 55

Hình 3.8: Quan hệ giữa tải trọng ô tô theo dung tích gàu xúc và cung độ vận tải 57

Hình 3.9: Định mức nhiên liệu của ô tô tải trọng q=91 tấn phụ thuộc cung độ và chiều cao nâng tải 60

Hình 3.10: Quan hệ giữa góc dốc bờ mỏ và bề rộng đường ô tô 60

Hình 3.11: Mối quan hệ giữa khối lượng đất bóc thêm theo từng loại ô tô 62

Hình 3.12: Sơ đồ tính toán các thông số của băng tải với 3 con lăn 66

Hình 3.13: Quan hệ giữa kích thước cỡ hạt lớn nhất trên băng theo bề rộng băng và góc nghiêng sườn con lăn 67

Hình 3.14: Phân bố lực cản chuyển động của băng tải dốc với hệ thống nén 67

Hình 3.15: Sơ đồ làm việc của hệ thống trục tải nâng ô tô 72

Hình 3.16: Sơ đồ phân bố tầng tập trung trong nhóm tầng 75

Hình 3.17: Sơ đồ xác định cung độ vận tải trung bình trong mỏ 75

Hình 3.18: Sơ đồ khối xác định chiều sâu chuyển tiếp các dạng vận tải 81

Hình 4.1: Tỷ trọng chi phí của các chỉ tiêu công nghệ vận tải theo tải trọng ô tô 88

Hình 4.2: Sơ đồ công nghệ vận tải ô tô đơn thuần 90

Hình 4.3: Số lượng ô tô trong các tổ hợp theo năng suất vận tải từ 1.000÷10.000 tấn/giờ 91

Hình 4.4: Quan hệ giữa tiêu hao năng lượng vận tải nâng 1 tấn đất đá bằng ô tô theo chiều cao nâng và hạ tải 94

Hình 4.5: Quan hệ giữa giá thành vận tải của ô tô khi lên dốc theo chiều dài vận tải và năng suất giờ 96

Hình 4.6: Quan hệ giữa giá thành vận tải của ô tô xuống dốc theo chiều cao xuống dốc và năng suất giờ 96

Hình 4.7: Giá thành vận tải ô tô trên đường bằng theo chiều dài vận tải và năng suất giờ 97

Hình 4.8: Sơ đồ công nghệ vận tải liên hợp ô tô - băng tải 98

Hình 4.9: Tiêu hao năng lượng đơn vị của băng nghiêng ( =180) theo chiều cao nâng tải 99

Hình 4.10: Tiêu hao năng lượng đơn vị của băng khi vận tải trên đường bằng 100

Hình 4.11: Tiêu hao năng lượng của băng dốc 35o theo chiều cao và năng suất băng 101

Hình 4.12: Tiêu hao năng lượng đơn vị kJ/tấn theo góc dốc băng tải và và năng suất giờ khi chiều cao nâng H=100 m 101

Hình 4.13: Giá thành vận tải băng tải nghiêng ( =18o) theo chiều cao nâng tải và năng suất băng 102

Hình 4.14: Giá thành vận tải băng tải dốc ( =35o) theo chiều cao nâng tải và năng

suất băng 103 Hình 4.15: Giá thành vận tải trên đường bằng theo chiều dài vận tải và năng suất

băng 103 Hình 4.16: Sơ đồ công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải skip 104 Hình 4.17: Sơ đồ công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải nâng ô tô 104 Hình 4.18: Tiêu hao năng lượng đơn vị của trục tải skip theo chiều cao nâng và

năng suất nâng khi góc dốc tuyến trục 35o

106 Hình 4.19: Tiêu hao năng lượng đơn vị của trục tải nâng ô tô theo chiều cao nâng

và năng suất nâng khi góc dốc tuyến trục 35o

107 Hình 4.20: Mối quan hệ giữa giá thành vận tải trục tải skip theo năng suất khi góc

mỏ và khối lượng vận tải 110 Hình 4.24: Giá thành của các công nghệ vận tải theo năng suất và chiều sâu mỏ 112 Hình 4.25: Giá thành của công nghệ vận tải băng tải và ô tô theo năng suất và

chiều dài khi vận tải trên đường bằng 113 Hình 4.26: Sơ đồ khối lựa chọn công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than

lộ thiên sâu ở Việt Nam 115 Hình 4.27: Giao diện lựa chọn phương án vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ

thiên sâu ở Việt Nam 116 Hình 4.28: Quan hệ giữa tổng chi phí các công nghệ vận tải theo khối lượng trung

bình tầng công tác mỏ và chiều cao nâng tải 119 Hình 4.29: Tổng tiêu hao năng lượng với chiều cao nâng tải của các công nghệ

vận tải 129 Hình 4.30: Tổng chi phí với chiều cao nâng tải của các công nghệ vận tải 129

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vận tải là một trong những khâu công nghệ chính của quá trình sản xuất trên

mỏ lộ thiên Chi phí vận tải thường chiếm từ 50 60% giá thành khai thác 1 tấn than Hình thức vận tải ô tô được sử dụng phổ biến trên các mỏ lộ thiên có không gian hạn chế, khai trường chật hẹp, tuyến công tác ngắn và phát triển nhanh, khoáng sàng có thế nằm phức tạp Tuy nhiên, năng suất và chi phí vận tải phụ thuộc chủ yếu vào chiều cao nâng tải, cung độ vận tải, chất lượng, độ dốc đường và tải trọng ô

tô Các mỏ lộ thiên sâu sử dụng công nghệ vận tải ô tô đơn thuần không hiệu quả, bởi vì: cung độ vận tải theo hướng chạy có tải của xe lên dốc tăng nhanh, chiều cao nâng tải ngày càng lớn dẫn đến giảm năng suất và tăng chi phí vận tải ô tô

Theo tài liệu của các nhà khoa học mỏ, năng suất của ô tô sẽ giảm đi 10% khi

độ sâu mỏ đến 100 m và giảm tới 38% khi độ sâu mỏ đến 200 m; chi phí nguyên nhiên liệu cũng tăng tỷ lệ thuận với chiều cao nâng tải Điều này làm giá thành vận tải tăng lên đáng kể

Hiện nay, trên thế giới ngoài công nghệ vận tải bằng ô tô đơn thuần, còn có rất nhiều công nghệ vận tải liên hợp như: Ô tô - băng tải, ô tô - trục tải (skip, ô tô), ô tô

- đường sắt Việc áp dụng công nghệ vận tải liên hợp cho phép phát huy các ưu điểm, khắc phục các nhược điểm của các dạng vận tải Kinh nghiệm sử dụng công nghệ vận tải liên hợp cho thấy: Chi phí vận tải giảm 15 30%, duy trì năng suất yêu cầu và có trường hợp tăng năng suất vận tải lên 10 25%, số lượng ô tô làm việc trong khai trường giảm từ 30 50%, nhân lực lao động giảm 40 60% so với phương

án sử dụng ô tô đơn thuần

Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam có đặc thù hình học mỏ trên sườn núi dưới moong sâu, mỏ có dạng sâu và rộng, càng xuống sâu nước ngầm càng lớn, độ cứng

và độ khối của đất đá tăng, số lượng tầng công tác nhiều, khối lượng đất bóc hàng năm tại các tầng tăng nên cường độ khai thác toàn bờ mỏ lớn, càng xuống sâu cung

độ vận tải và chiều cao nâng tải càng tăng Hiện nay, các mỏ than lộ thiên vẫn sử

dụng ô tô đơn thuần với nhiều loại chủng loại để vận chuyển đất đá Khi chiều cao nâng tải lớn hơn 150 m đã xảy ra tình trạng ô tô hỏng hóc thường xuyên, phải dừng nghỉ giữa chừng đặc biệt vào mùa hè nên ảnh hưởng tới chi phí sản xuất

Theo quy hoạch phát triển ngành than, các mỏ than lộ thiên Việt Nam như: Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn, Khánh Hòa, sẽ khai thác xuống sâu đến mức -300÷-350 m, khối lượng đất đá bóc từ 20÷40 triệu m3, chiều cao nâng tải trên bờ mỏ từ 400÷500

m, cung độ vận tải từ 4 6 km Với chiều cao và cung độ vận tải dài như vậy cần có công nghệ vận tải đất đá phù hợp Chính vì vậy, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ vận tải đất đá hợp lý đảm bảo công suất yêu cầu, giảm giá thành vận tải cho các mỏ than lộ thiên Việt Nam khi khai thác xuống sâu là vấn đề khoa học có tính thực tiễn và cấp thiết rõ rệt

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ vận tải đất đá phù hợp với điều kiện tự nhiên,

kỹ thuật của các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam nhằm đảm bảo công suất yêu cầu của mỏ, nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng của đề tài là công nghệ vận tải đất đá mỏ;

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là các mỏ than lộ thiên Việt Nam đang khai thác xuống sâu

4 Nội dung nghiên cứu

a) Tổng quan hiện trạng công nghệ và các công trình nghiên cứu công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên sâu trong và ngoài nước

b) Đánh giá đặc điểm và khả năng áp dụng các công nghệ vận tải đất đá tại các

mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

c) Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ vận tải đất đá cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

d) Nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

5 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp thống kê các số liệu thực tế để đánh giá ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các công nghệ vận tải tại các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam

- Sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học xác định các thông số làm việc tối

ưu của các công nghệ vận tải có thể áp dụng tại các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam

- Sử dụng phương pháp so sánh tiêu hao năng lượng đơn vị, chi phí vận tải quy chuyển các công nghệ vận tải theo chiều sâu mỏ để lựa chọn công nghệ vận tải hợp lý cho các mỏ lộ thiên sâu ở Việt Nam

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

- Luận án góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu, lựa chọn các

thông số và công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam;

- Kết quả nghiên cứu của Luận án là cơ sở định hướng đầu tư công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên Việt Nam trong quá trình khai thác xuống sâu, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác mỏ và bảo vệ môi trường

7 Các luận điểm bảo vệ

a) Hiệu quả khai thác các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam được nâng cao dựa trên cơ sở sử dụng công nghệ vận tải liên hợp và tối ưu hóa các thông số làm việc của tổ hợp thiết bị vận tải

b) Tiêu hao năng lượng là tiêu chí khách quan đánh giá hiệu quả của các khâu công nghệ khai thác mỏ lộ thiên

c) Phạm vi sử dụng các công nghệ vận tải tại các mỏ sâu dựa trên cơ sở đánh giá tiêu hao năng lượng đơn vị và giá thành vận tải mỏ theo chiều cao nâng tải Công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam khi có tổng chi phí vận tải và tiêu hao năng lượng nhỏ nhất

8 Các điểm mới của luận án

a) Đã phân loại mỏ lộ thiên sâu trên cơ sở kích thước hình học mỏ và sự phù hợp về công nghệ vận tải

b) Bằng mô hình hóa toán học đã xác định các thông số và chỉ tiêu tối ưu cho các công nghệ vận tải; xây dựng quan hệ giữa tiêu hao năng lượng, giá thành vận tải của các công nghệ vận tải với khối lượng vận tải và chiều cao nâng tải

c) Đã thiết lập phạm vi sử dụng các công nghệ vận tải trên cơ sở so sánh tiêu hao năng lượng đơn vị và giá thành theo chiều cao nâng tải

d) Đã lựa chọn được công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam theo tiêu chí tổng chi phí vận tải và tiêu hao năng lượng theo chiều cao nâng tải, khối lượng vận tải nhỏ nhất

9 Lời cảm ơn

Nghiên cứu sinh (NCS) đã hoàn thành luận án: “Nghiên cứu công nghệ vận tải

đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam” với sự hướng dẫn khoa học,

nhiệt tình của các thầy trong tiểu ban hướng dẫn: PGS.TS Bùi Xuân Nam và TS Nguyễn Phụ Vụ; các ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học trong Bộ môn Khai thác Lộ thiên, Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất; các cán bộ phòng CNKT Lộ thiên, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ; Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam; Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam; các mỏ than Cao Sơn, Đèo Nai, Cọc Sáu, Hà Tu, Núi Béo, Khánh Hòa và các đồng nghiệp

NCS chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, đóng góp quý báu đó!

Chương 1 TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN SÂU TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 Tổng quan hiện trạng công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên

Trong mười năm trở lại đây, trên thế giới gần 75% khối lượng than, quặng, khoáng sản phi quặng được khai thác bằng phương pháp lộ thiên Đây là phương pháp chủ đạo trong ngành công nghiệp khai thác mỏ, vì đã mang lại hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật và an toàn hơn so với phương pháp khai thác hầm lò

Hiện nay tại Việt Nam, mặc dù sản lượng than khai thác lộ thiên đã giảm nhiều nhưng vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong ngành than Việt Nam Theo Quy hoạch phát triển ngành than đến năm 2015, xét triển vọng đến năm 2025 (QH60), sản lượng than lộ thiên như sau:

- Từ năm 2015÷2020 chiếm 42÷61% sản lượng toàn ngành than;

- Từ năm 2021÷2030 chiếm 14÷19% sản lượng toàn ngành than

Trong đó, các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh: Cọc Sáu, Đèo Nai, Cao Sơn, Tây Nam Đá Mài, Núi Béo, Hà Tu, Mỏ lộ thiên Suối Lại chiếm khoảng 93% sản lượng than lộ thiên; các mỏ than lộ thiên còn lại chiếm khoảng 7% (gồm các mỏ như: Na Dương, Khánh Hòa, Núi Hồng, Nông Sơn )

Công nghệ khai thác lộ thiên có đặc thù đó là công trình khai thác phát triển theo cả bề rộng và chiều sâu Với nhu cầu than ngày càng tăng, khối lượng than đất hàng năm và chiều sâu đáy mỏ tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam ngày càng lớn Căn

cứ vào tình hình thực tế có thể phân chia các giai đoạn phát triển để đánh giá độ sâu kết thúc khai thác các mỏ than lộ thiên Việt Nam theo 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Trước năm 1994 (Thời kỳ trước khi thành lập Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam)

Giai đoạn 2: Từ năm 1995 đến năm 2003 (Thời kỳ xây dựng Quy hoạch ngành than lần thứ nhất)

Giai đoạn 3: Từ năm 2004 đến năm 2013 (Thời kỳ xây dựng quy hoạch ngành than lần 2)

- Giai đoạn 1: Từ trước năm 1994 (khi bắt đầu thành lập TKV), các mỏ thực

hiện theo thiết kế của Liên Xô cũ: Mỏ Cọc Sáu có cao độ đáy mỏ kết thúc là -120 m đối với công trường Tả Ngạn và -77 m đối với công trường Thắng Lợi Mỏ than Đèo Nai có cao độ kết thúc công trường vỉa Chính ở mức -110 m Mỏ Cao Sơn có cao độ đáy mỏ kết thúc là -145 m Mỏ Hà Tu có cao độ đáy mỏ kết thúc là -100 m

- Giai đoạn 2: Theo (quy hoạch năm 2003 - QĐ số 20/2003), cao độ đáy mỏ

theo quy hoạch tại các mỏ như sau: Mỏ Cọc Sáu mức -255 m (công trường Thắng Lợi), mỏ Đèo Nai mức -110 m (Khu vỉa Chính), mỏ Cao Sơn mức -350 m, mỏ Hà Tu mức -165 m, mỏ Núi Béo mức -60 m, mỏ Na Dương mức +66 m, mỏ Khánh Hòa mức -300 m

- Giai đoạn 3: Theo (Quyết định QH60) đáy mỏ kết thúc tại một số mỏ than lộ

thiên Việt Nam có sự thay đổi rất lớn Cao độ đáy mỏ theo quy hoạch tại các mỏ như sau: Mỏ Cọc Sáu mức -375 m (công trường Thắng Lợi), mỏ Đèo Nai mức -345

m (khu vỉa Chính), mỏ Cao Sơn mức -325 m, mỏ Na Dương mức +6 m

Khối lượng mỏ đã thực hiện tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam từ 1995 đến

1.1.1 Phân loại mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

Trong [42], V.V Rzhevsky đã đưa ra quan điểm về mỏ lộ thiên sâu khi có độ sâu khai thác lớn hơn 200 m với các đặc điểm cơ bản: khối lượng đất bóc từ 50÷60 tr.tấn/năm; thời gian tồn tại không nhỏ hơn 30 năm; càng xuống sâu các thông số tầng công tác càng giảm; sử dụng nhiều công nghệ khai thác (CNKT) và các dạng vận tải

Tùy thuộc vào tỉ số giữa chiều dài của mỏ (L, m) và chiều rộng mỏ (B, m), các

mỏ lộ thiên sâu được chia thành các loại: mỏ rộng (L 2

B ), mỏ hẹp (L 2

B ) [1] Theo QH60, các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh có thời gian tồn tại từ 23÷26 năm, lâu nhất là mỏ Cao Sơn tồn tại khoảng 26 năm Khối lượng đất bóc hàng năm của 1 mỏ than lộ thiên khoảng 10÷40 triệu m3/năm; sản lượng than khai thác khoảng từ 1,2÷4,3 triệu tấn/năm

Các mỏ than thuộc khu vực Hòn Gai sẽ đi vào kết thúc khai thác lộ thiên theo

kế hoạch dự kiến vào năm 2017, mỏ Núi Béo sẽ kết thúc khai thác lộ thiên và chuyển sang khai thác Hầm Lò từ năm 2016; mỏ Hà Tu theo dự kiến kết thúc năm 2017; mỏ than lộ thiên Suối Lại dự kiến kết thúc vào năm 2016

Các mỏ than lộ thiên khác như: Na Dương, Khánh Hòa, Núi Hồng, Nông Sơn

có sản lượng khai thác không lớn từ 0,3÷0,6 triệu tấn/năm với thời gian tồn tại khoảng 30 năm Đặc biệt, mỏ Na Dương thời gian tồn tại khoảng 50 năm

Một số thông số kỹ thuật cơ bản tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam hiện nay được trình bày ở Bảng 1.2

Bảng 1.2: Một số chỉ tiêu cơ bản của các mỏ than lộ thiên

Tuổi thọ

mỏ, năm

Kích thước mỏ (Dài x Rộng), m Chiều cao bờ mỏ, m Khối lượng mỏ Hệ số

- Thuộc dạng sâu và hẹp là mỏ Na Dương;

- Thuộc dạng sâu và rộng là các mỏ như: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khánh Hòa

1.1.2 Hiện trạng công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam

Các mỏ than lộ thiên Việt Nam hầu hết đã sử dụng hệ thống khai thác (HTKT) xuống sâu, dọc, một (hai) bờ công tác, đất đá đổ bãi thải ngoài (bãi thải trong),

CNKT khấu theo lớp đứng Các thông số của hệ thống khai thác được trình bày ở Bảng 1.3

Bảng 1.3: Các thông số cơ bản của HTKT tại các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

Sơn

Cọc Sáu

Đèo

Khánh Hòa

Na Dương

- Xúc bốc, vận tải đất đá bằng máy xúc tay gàu sử dụng năng lượng điện có các mã hiệu: EKG-4,6; EKG-5A; EKG-8I và EKG-10A Dung tích gàu xúc (E) tương ứng: 4,6 m3; 5 m3; 8 m3 và 10,5 m3 Từ năm 1994 cho tới nay các mỏ đã đưa vào hoạt động các máy xúc thủy lực (MXTL) có dung tích gàu từ 2,8÷12 m3

Qua các giai đoạn phát triển, các mỏ đã đầu tư các máy xúc (gầu thuận, gầu ngược) có công suất lớn, nhiều chủng loại, mã hiệu khác nhau

Công tác vận tải đất đá ở các mỏ than lộ thiên Việt Nam sử dụng công nghệ vận tải bằng ô tô đơn thuần có tải trọng (q) thay đổi từ 20÷96 tấn gồm nhiều chủng loại như: CAT 777 (q=96 tấn); HD785-7 (q=91 tấn); CAT 773E;F, HD465-7R (q=55÷58 tấn); HM400; Volvo (q=32÷42 tấn); Scania, HOWO (q=20÷27 tấn)

Các loại ô tô được đầu tư theo các thời kỳ khác nhau Xu hướng tăng dần tải trọng để phù hợp với thiết bị xúc bốc và CNKT với góc nghiêng bờ công tác lớn Mặt khác, đảm bảo khối lượng đất đá, cung độ vận chuyển, chiều cao nâng tải ngày một tăng khi mỏ khai thác xuống sâu hơn

Theo báo cáo thực hiện các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật từ năm 2009÷2012 của mỏ than Cọc Sáu, chi phí vận tải đất đá chiếm tỷ lệ cao nhất: 59,18%, sau đó là nổ mìn: 19,42%, xúc bốc: 12,17%, khoan: 6,88%, gạt bãi thải: 2,35% Chi phí đầu tư cho thiết

bị vận tải đất đá lớn nhất chiếm 68,71%, thiết bị xúc 18,44%, thiết bị khoan 9,43% và thiết bị gạt 3,41% Cụ thể xem Hình 1.1 và Hình 1.2

Khoan 6,88%

Nổ 19,42%

Xúc bốc 12,17%

Vận tải 59,18%

Bãi thải 2,35%

Hình 1.1: Phân bố chi phí trung bình của các khâu công nghệ trong giai đoạn sản xuất từ

năm 2009÷2012 tại mỏ Cọc Sáu

Thiết bị xúc 18,44%

Thiết bị vận tải 68,71%

Thiết bị khoan 9,43%

Thiết bị gạt 3,41%

Hình 1.2: Phân bố vốn đầu tư cho các khâu công nghệ tại mỏ Cọc Sáu

Từ các biểu đồ Hình 1.1, Hình 1.2 cho thấy: Chi phí xúc bốc và vận tải đất đá chiếm tỷ trọng chủ yếu trong giá thành khai thác than lộ thiên Trong đó, vận tải chiếm tới gần 60% và hơn 90% chi phí vốn đầu tư khai thác mỏ là thuộc về các loại thiết bị xúc bốc và vận tải

Khi tăng chiều sâu khai thác, giá thành các khâu công nghệ ngày càng tăng Giá thành đơn vị tăng chủ yếu do khâu vận tải với chiều cao nâng tải và cung độ vận tải ngày càng lớn Cụ thể giá thành khoan nổ, xúc bốc vận tải và thải 1 m3

Đèo Nai

Cao Sơn Cọc Sáu

Đèo Nai

Cao Sơn Cọc Sáu

Đèo Nai Khoan lỗ mìn 3.850 3.259 3.657 3.992 3.345 3.699 4.008 3.450 3.708

Nổ mìn 10.064 8.903 9.771 10.371 9.084 9.861 10.441 9.310 9.879 Bốc xúc 5.174 5.191 5.258 5.179 5.224 5.320 5.251 5.233 5.331 Vận chuyển 29.000 23.098 35.652 33.381 25.476 35.571 39.419 28.584 38.960 San gạt bãi thải 3.043 3.043 3.043 3.043 3.043 3.043 3.043 3.043 3.043

Tổng (đồng) 51.131 43.494 57.381 55.966 46.171 57.494 62.162 49.621 60.921

Qua Bảng 1.4 cho thấy:

- Giá thành vận tải và nổ mìn của 1 m3 đất đá là lớn nhất và tăng dần theo chiều sâu khai thác;

- Tại mỏ Cọc Sáu: Giá thành vận tải đất đá chiếm 53% năm 2010, tới 55% năm 2011 và chiếm 57% năm 2012;

- Tại mỏ Đèo Nai: Giá thành vận tải đất đá năm 2010 chiếm 63% đến năm

2012 tăng lên 64%;

- Tại mỏ Cao Sơn: Giá thành vận tải đất đá chiếm từ 56% năm 2010 đã tăng lên tới 60% năm 2011 và năm 2012 chiếm 64%

Đặc điểm các mỏ than lộ thiên sâu vùng Cẩm Phả có bờ mỏ ở cạnh nhau, cùng

có chung bãi thải Đông Cao Sơn và bãi thải Khe Sim Mỗi mỏ có từ 1÷2 bãi thải ngoài và bãi thải trong Công tác đổ thải thực hiện bằng ô tô kết hợp với máy ủi Các giai đoạn trước đây, khi chiều cao nâng tải chưa lớn, công nghệ vận tải ô tô tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam đã phù hợp với địa hình đồi núi, kích thước khai trường chật hẹp, cường độ công tác lớn, cơ động, linh hoạt Tuy nhiên, khi khai thác xuống sâu, chi phí vận tải tăng rất nhanh (khoảng 10÷15%/năm) Khai trường chật hẹp, nhiều cua dốc, chiều cao nâng tải lớn, nhiều loại ô tô với tải trọng khác nhau cùng hoạt động đã xảy ra tình trạng hỏng hóc thường xuyên, lốp xe hao mòn nhanh Trong thời gian mùa hè, nhiệt độ trong mỏ tăng cao, ô tô phải dừng nghỉ nhiều đã ảnh hưởng tới năng suất và chi phí sản xuất

1.1.3 Hiện trạng công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ than lộ thiên sâu nước ngoài

Hiện nay, trên các mỏ lộ thiên sâu trên thế giới đang sử dụng chủ yếu công nghệ vận tải liên hợp Công nghệ vận tải liên hợp cho phép phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng loại thiết bị Từ đó, chi phí sản xuất giảm nhiều so với vận tải đơn thuần Vận tải liên hợp là sự kết hợp từ các công nghệ vận tải đơn thuần: ô tô, trục tải, băng tải, đường sắt Tùy thuộc vào điều kiện thực tế có rất nhiều sơ đồ công nghệ vận tải liên hợp Phổ biến nhất là các sơ đồ:

- Ô tô vận tải đất đá từ gương tầng tới điểm chuyển tải + băng tải nghiêng hoặc băng tải dốc trên bờ mỏ + băng tải thường trên mặt mỏ;

- Ô tô vận tải đất đá từ gương tầng tới điểm chuyển tải + trục tải nâng đất đá trên bờ mỏ + ô tô hoặc băng tải hoặc đường sắt trên mặt vận tải đất đá ra bãi thải;

- Ô tô vận tải trong mỏ + đường sắt trên mặt mỏ vận tải đất đá ra bãi thải Trong các sơ đồ công nghệ vận tải liên hợp, ô tô là thiết bị sử dụng tại khâu đầu tiên có nhiệm vụ gom đất đá và vận chuyển trên mặt mỏ Ô tô là thiết bị thực hiện gần 80% tổng khối lượng đất đá mỏ trên toàn thế giới [18] Tại Mỹ và Canada vận tải ô tô trong các mỏ chiếm 85%, Úc gần như 100%, Nam Phi trên 90% Ở Nga và các nước SNG hình thức vận tải bằng ô tô chiếm tỷ trọng 75% tổng khối lượng trên các mỏ than lộ thiên

Ưu điểm của công nghệ vận tải ô tô: Linh hoạt và cơ động trong điều kiện đồi núi, kích thước hình học mỏ hạn chế, kích thước khoáng sàng thay đổi Đặc biệt đáp ứng nhiều điều kiện phức tạp trong mỏ sâu Khối lượng đất đá vận chuyển đạt tới

100 tr.tấn/năm Công tác xây dựng, bảo dưỡng đường vận tải rất đơn giản

Nhược điểm của công nghệ vận tải ô tô: Sử dụng nhiên liệu dầu diezel nên gây

ra khí độc hại Góc nghiêng nhỏ, hao mòn lốp nhanh, gây ô nhiễm môi trường, chi

phí nhiên liệu lớn, hệ số bao bì lớn

Theo [22], chi phí nhiên liệu cho việc mang tải là 40÷50%; trong khi đó, chi phí nhiên liệu cho tự trọng của xe là 50÷60% Tại các mỏ lộ thiên sâu, cường độ công tác

và khối lượng mỏ lớn nên số lượng xe phục vụ tăng gây khó khăn cho công tác điều khiển; ô tô làm việc phụ thuộc điều kiện thời tiết và chi phí săm lốp lớn

Các ô tô dùng trên các khai trường lộ thiên đang được sản xuất theo xu thế có tải trọng lớn, năng lực vận tải cao, khắc phục độ dốc lớn, lốp xe có độ bền cao, động

cơ có công suất lớn Ngày nay, các ô tô mỏ có tải trọng đến 340 tấn hoặc lớn hơn và

có thể đảm nhận thực hiện vận chuyển khối lượng mỏ đến 200 triệu tấn/năm Theo [36], các hãng sản xuất đã chế tạo ra ô tô tải trọng 200÷220 tấn, trong đó được sử dụng thành công trong các mỏ than vùng Kuzbass như: BELAZ-75.211 (tải trọng

170 tấn) và BELAZ-75.214 (tải trọng 180 tấn) hoạt động các mỏ than ở Yakutia

Xe tải tự đổ BELAZ-75.501 (280 tấn) đã sử dụng ở mỏ than Yakutugol Các

mỏ lộ thiên ở Nga và SNG đã được rộng rãi ô tô tải trọng 91÷154 tấn

Theo [21], khoảng cách vận tải hợp lý của ô tô từ 0,2÷4 km Trong trường hợp đặc biệt, ô tô công suất lớn khoảng cách vận tải có thể đạt 5÷6 km, bán kính cong nhỏ hơn 30 m, chiều sâu mỏ sử dụng ô tô có hiệu quả nhỏ hơn 80 m

Công nghệ chế tạo các loại ô tô chạy bằng động cơ diezel - điện và diezel- troolay với tải trọng 60÷65 tấn sử dụng cho các mỏ có khối lượng mỏ từ 10÷20 triệu tấn/năm, chiều sâu mỏ lớn hơn 100 m, khoảng cách vận tải 4÷6 km, độ dốc đường tăng từ 10÷12% đã mở rộng phạm vi sử dụng ô tô [9]

1.1.3.1 Vận tải liên hợp ô tô - băng tải

Công nghệ vận tải liên hợp ô tô - băng tải được nghiên cứu và sử dụng từ những năm 60 của thế kỷ 20 Đây là sơ đồ công nghệ vận tải hiệu quả nhất đối với

các mỏ sâu Việc sử dụng công nghệ vận tải ô tô - băng tải sẽ đảm bảo chỉ tiêu sử dụng thiết bị mỏ, nâng cao hiệu quả sản xuất với các ưu điểm [22]:

- Năng suất cao do dòng vận tải liên tục, năng suất giảm không đáng kể (khoảng 3÷5%) khi xuống sâu;

- Có khả năng tự động hóa kiểm tra đảm bảo nhịp độ sản xuất;

- Cung độ ngắn do sử dụng băng tải dốc có góc dốc bằng góc dốc bờ mỏ;

- Giá thành thấp (chỉ tăng 5÷6% khi chiều cao nâng tải tăng 100 m so với tăng 1,5 lần khi vận tải ô tô đơn thuần) Chi phí lao động nhỏ hơn 2÷4 lần so với vận tải

ô tô và vận tải đường sắt

Nhược điểm của công nghệ vận tải liên hợp ô tô - băng tải: Cần đập nghiền trước khi vận tải; phức tạp trong việc di chuyển thiết bị đập; tiêu hao băng tải lớn; phụ thuộc điều kiện thời tiết; cần xây dựng tuyến đường ô tô trong mỏ

Theo kinh nghiệm sử dụng tại các nước, tiêu hao năng lượng khi vận tải bằng băng tải và chi phí lao động giảm tương ứng 65÷70% và 80÷93% so với vận tải ô tô đơn thuần Trong khi đó, tiêu hao năng lượng trong công nghệ chu kỳ - liên tục là: Vận tải đất đá chiếm 75÷80%; Xúc bốc chiếm: 16÷18%; Đập: 8÷10% [52]

Hiện nay, băng tải thường có dạng nghiêng hoặc dốc, băng nghiêng có độ dốc 16÷18o, băng tải dốc có độ dốc từ 30÷70o

Công nghệ vận tải ô tô - băng tải nghiêng được sử dụng nhiều ở các mỏ sắt, đồng, vàng, than,… tại các nước Châu Âu, Châu Á, Châu Phi, Châu Mỹ và Úc Năm 1950, mỏ sử dụng công nghệ vận tải ô tô - băng tải đầu tiên là mỏ đá vôi ở CHLB Đức Năng suất đập khoảng 250 tấn/giờ, kích thước cỡ hạt sau đập là 50 mm Bắt đầu từ năm 1970, hàng loạt các mỏ sử dụng công nghệ vận tải liên hợp ô

tô - băng tải như các mỏ sắt: Batler, Delaver, Kill Anneksl, Plummer (Nga), Ripablik (Mỹ), Keland, Nob Leck (Canada), các mỏ đồng: Tvinyuts, Sierrita (Mỹ); Exotica, Chuquicamata (Chile), Cananea (Mexico)

Theo đánh giá của hãng Krupp (CHLB Đức), tính đến 2005, trên thế giới đã

sử dụng 100 công nghệ đồng bộ ô tô - băng tải - máy đập với công suất 5.000 tấn/giờ Một số chỉ tiêu công nghệ vận tải liên hợp ô tô - băng tải nghiêng tại các nước được thể hiện ở Bảng 1.5

Bảng 1.5: Các chỉ tiêu kỹ thuật đồng bộ dây chuyền công nghệ ô tô - băng tải nghiêng tại

một số nước trên thế giới

Mỏ lộ thiên

Năng suất, triệu t/năm

khâu sau

Trọng tải, tấn

Cung

độ vận tải, km

Dung tích bunke,

m3

Máy đập

Chiều rộng băng,

m

Tốc độ băng, m/s

Để nâng cao hiệu quả của công nghệ vận tải liên hợp ô tô - băng tải, những năm gần đây các mỏ lộ thiên trên thế giới đã sử dụng băng tải dốc Băng dốc có độ dốc từ 30÷70o tương ứng với góc dốc bờ mỏ Băng tải dốc thường có các dạng: Băng nén ép, băng vách ngăn, băng ma sát, băng treo, băng xếp, băng tải ống, băng lòng máng sâu Đi kèm với băng tải là thiết bị nghiền: Đập hàm, côn và đập trục Các hãng chế tạo băng tải dốc với băng nén tiêu biểu gồm: Continental Conveyor & Equipment Company (Mỹ), ОАО «НКМЗ» (Ucraina), Ojta Nord S.L, Howard Trading Inc Sơ đồ băng tải dốc có hệ thống nén ép được thể hiện ở Hình 1.3

Công trình [29] phân loại băng tải dốc theo chiều cao nâng các loại: Băng dốc

có chiều cao nâng thấp từ 10÷15 m; băng dốc có chiều cao nâng trung bình từ 30÷50 m; băng dốc với chiều cao nâng lớn đến 500 m và lớn hơn Băng dốc có chiều cao lớn được sử dụng rộng rãi trên các mỏ lộ thiên

Một số dự án tiêu biểu về sử dụng công nghệ vận tải ô tô - băng tải dốc được thể hiện ở Bảng 1.6 [29]

Bảng 1.6: Thông số băng tải dốc tại một số mỏ trên thế giới

Tên mỏ

Năm đưa vào

sử dụng

Loại vật liệu

Năng suất, t/giờ

Góc nghiêng băng, độ

Chiều cao nâng,

m

Chiều dài, m

Chiều rộng băng,

m

Tốc

độ băng m/s Majdanpek,

• Năng suất theo trọng lượng: 3.500 tấn/h;

• Năng suất theo khối lượng: 2.000 m3/h;

• Chiều cao nâng: 270 m;

1.1.3.2 Công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải

Công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải được sử dụng rộng rãi từ những năm

30 của thế kỷ XX tại các mỏ ở Mỹ, Canada, Mexico với tải trọng ô tô 35 tấn (mỏ

Drephiri); 120÷150 tấn (mỏ Berkl) Trong công nghệ vận tải ô tô - trục tải, trục tải

có hai dạng: trục tải skip và trục tải nâng ô tô Khâu đầu tiên là ô tô nhận tải từ gương xúc, vận chuyển và đổ tải vào thùng trục qua bunke, hoặc ô tô di chuyển vào

hệ thống nâng xe Máy trục sẽ nâng tải hoặc nâng ô tô lên mặt mỏ Trên mặt mỏ, skip dỡ tải vào ô tô hoặc đường sắt hoặc băng tải qua bunke Tải trọng của skip lấy bằng tải trọng của ô tô Tốc độ chuyển động của trục tải khoảng từ 4÷12 m/s, góc nghiêng đường trục xây dựng bằng góc dốc bờ mỏ

Hiệu quả sử dụng công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải cho thấy: Các mỏ giảm được khoảng 30÷50% số lượng ô tô làm việc trong khai trường, năng suất tăng lên 15÷25%, chi phí vận tải giảm 10÷20%, nhân lực lao động giảm 40÷60% so với dùng ô tô đơn thuần

Ưu điểm của công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải: Công tác xây dựng cơ bản (XDCB) trong các tuyến đường nhỏ, chuyên chở đất đá rắn, cỡ lớn; hệ số bao bì không lớn; lực cản chuyển động nhỏ; có khả năng tự động hóa toàn bộ quá trình nâng

Nhược điểm của công nghệ vận tải liên hợp ô tô - trục tải: Dòng vận tải không liên tục; cần thiết có thiết bị dỡ tải; phức tạp trong công tác tổ chức từ một số tầng; cần xây dựng tuyến đường ô tô trong mỏ; năng suất thấp

1.1.3.3 Công nghệ vận tải liên hợp ô tô - đường sắt

Vận tải ô tô - đường sắt rất phổ biến tại LB Nga với công suất yêu cầu lớn, bãi thải cách xa mỏ

Ưu điểm là có thể sử dụng nhiều loại năng lượng; đầu máy với tiêu hao năng lượng không lớn; làm việc trong mọi điều kiện thời tiết phức tạp; số lượng công nhân không lớn; chi phí sửa chữa, bảo dưỡng nhỏ Nhược điểm là khi áp dụng hình thức vận tải bằng đường sắt trên các mỏ có chiều sâu lớn sẽ không đem lại hiệu quả

vì khối lượng đầu tư XDCB như: Các tuyến đường dài, hệ thống điện lưới sẽ rất lớn; đồng thời tổ chức sản xuất phức tạp trong công đoạn vận tải từ gương tới trạm tiếp nhận và trong quá trình vận chuyển, làm giảm tính cơ động và khó khăn trong các đoàn tàu và ảnh hưởng tới năng suất

Ngoài ra, gần đây các nhà khoa học mỏ LB Nga đã nghiên cứu và chế tạo hàng loạt thiết bị nâng xe khác như: Nâng xe bằng đệm không khí, nâng skip bằng khinh khí cầu, máy nâng với thiết bị kéo Tuy nhiên, những công nghệ và thiết bị này chưa được đưa ra sản xuất công nghiệp

1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá trong và ngoài nước

1.2.1 Tổng quan về các công trình nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải tại các

mỏ than lộ thiên Việt Nam

Vận tải mỏ đã được một số nhà khoa học trong nước nghiên cứu từ những năm

70 của thế kỷ trước Tiêu biểu ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ vận tải mỏ lộ thiên như:

+ Luận án Tiến sĩ của tác giả Nguyễn Võ Cát: “Nghiên cứu các sơ đồ vận tải

liên hợp thích hợp cho các mỏ than lộ thiên Việt Nam” thực hiện năm 1969 tại

trường Đại học mỏ Leningrad

Luận án đã đưa ra so sánh kinh tế các tổ hợp ô tô - băng tải, ô tô - trục tải vận tải đất đá và than Từ đó, chọn tổ hợp ô tô - trục tải vận tải đất đá cho các mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu với các thông số: chiều sâu khai thác mỏ 200÷250 m, khối lượng đất bóc hàng năm từ 4÷5 triệu m3

+ Luận án Tiến sĩ của tác giả Trần Trọng Kiên: “Nghiên cứu lựa chọn phương

án vận tải than hợp lý cho mỏ Đèo Nai” thực hiện năm 1970 tại trường Đại học mỏ

Matxcova

Luận án đã nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải than bằng liên hợp ô tô - băng tải từ gương tầng ra bunke với độ dốc hợp lý và giảm vỡ vụn của than

+ Luận án Tiến sĩ của tác giả Phan Xuân Bình: “Nghiên cứu nâng cao hiệu

quả sử dụng tổ hợp máy xúc - ô tô trên các mỏ than Việt Nam” thực hiện năm 1991

tại trường Đại học mỏ Leningrad

Luận án đã xác định quan hệ hợp lý giữa dung tích gàu xúc và ô tô vận tải phụ thuộc vào cung độ, dung trọng của vật liệu Đối với đất đá, sử dụng máy xúc có dung

tích gàu từ 5÷10 m3 kết hợp với ô tô có tải trọng từ 75÷150 tấn; đối với than, sử dụng máy xúc có dung tích gàu từ 5÷8 m3

kết hợp với ô tô có tải trọng từ 45÷75 tấn

+ Luận án Tiến sĩ của tác giả Đặng Trần Việt: "Nghiên cứu đồng bộ hóa thiết

bị cơ giới hóa trạm chuyển tải trong công nghệ vận tải liên hợp trên mỏ lộ thiên và mặt bằng công nghiệp mỏ Việt Nam” thực hiện năm 2007 tại trường Đại học Mỏ -

Địa chất, Hà Nội

Luận án đã thiết lập hàm mục tiêu và ứng dụng công nghệ thông tin để xác định vị trí trạm chuyển tải hợp lý trong mô hình vận tải liên hợp trên mỏ lộ thiên Việt Nam và chỉ số đồng bộ lựa chọn đồng bộ theo năng suất và thiết bị hợp lý theo khả năng đầu tư Kết quả nghiên cứu đã thiết lập các toán đồ ứng dụng tạo thuận lợi cho người thiết kế có thể lựa chọn nhanh chóng tổ hợp thiết bị đồng bộ theo năng suất trong mô hình vận tải liên hợp ô tô - đường sắt, ô tô - băng tải trên mỏ lộ thiên

1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu công nghệ vận tải tại các mỏ lộ thiên nước ngoài

Vận tải mỏ được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp mỏ từ những năm

30 của thế kỷ XX Các nhà khoa học tiêu biểu trong lĩnh vực này gồm: N.V.Melnikov, V.V Rzhevsky, K.N.Trubetskogo, A.O.Spivakovskogo, V.L.Yakovlev, M.V.Vasilev, M.G.Novozhilov, M.G.Potapov, B.V.Faddeev, V.A.Schelkanov, V.S.Hohryakov, P.P.Bastan, A.N.Shilin, V P.Smirnov, V.A Galkin, B.A.Simkin, M.S.Chetverik, S.P.Reshetnyak, Yu.I.Lely, A.G.Sisin, A.A.Kotyashev, A.P.Tyulkin, V.N.Usynin và một số người khác

Vấn đề cơ bản hình thành công nghệ vận tải mỏ sâu đã được nghiên cứu bởi các nhà khoa học như M.V.Vasilev, M.G.Potapov, V.L.Yakovlev [49]

Các nghiên cứu tiếp theo về việc phát triển hệ thống vận tải mỏ lộ thiên sâu đã được các nhà khoa học thực hiện ở công trình [24] với hướng giải quyết thích hợp các vấn đề khoa học sau:

- Phát triển dạng sơ đồ vận tải mỏ sâu;

- Xây dựng cơ sở nguyên lý sơ đồ công nghệ vận tải liên tục;

- Phương pháp vận tải đất đá theo lớp dốc nghiêng đảm bảo khối lượng đào nhỏ nhất;

- Phương pháp và thiết bị chuyển tải khi sử dụng vận tải liên hợp đảm bảo các dạng vận tải từ gương tới điểm trung chuyển và các khâu phụ trợ chiếm diện tích nhỏ nhất;

- Cơ sở hình thành hệ thống vận tải mỏ sâu hợp lý dựa trên cơ sở tối ưu hóa các thông số sử dụng của dạng vận tải chính và chuyên dụng của mỏ lộ thiên

Các vấn đề hình thành các dòng vận tải đã được Y.N Anistratov [17] xác định theo mối quan hệ năng suất và giới hạn mỏ

V.L.Yakovlev đã xây dựng những nguyên tắc lý thuyết cơ bản hình thành công nghệ vận tải mỏ sâu, có tính đến quy luật phát triển đới công tác mỏ, sự thay đổi các chỉ tiêu vận tải có tính đến yếu tố thị trường liên quan đến quá trình vận tải [49]

Với mục tiêu giảm cự ly vận tải, các công trình [47], [50] đã lựa chọn vị trí trạm đập ở trong đới công tác khi vận tải bằng liên hợp ô tô - băng tải Theo công tác xuống sâu, băng tải dốc đặt trên bờ không công tác và bờ công tác Việc kéo dài băng tải được tiến hành trên bờ không công tác Tuy nhiên, phương án này khó thực hiện do băng tải nâng dễ bị hư hỏng khi nổ mìn tạo mặt bằng

Theo kết quả của [30], bước dịch chuyển các trạm trung chuyển từ 45÷60 m Khi đó tuyến băng tải được bố trí thành các cụm có chiều dài từ 250÷300 m

Các công trình [15], [23] mô tả đặc điểm và kinh nghiệm ứng dụng các hình thức vận tải liên hợp trên các mỏ lộ thiên; nêu phương pháp tính toán thiết kế hệ thống vận tải liên hợp ô tô - đường sắt, ô tô - băng tải, ô tô - trục tải, cơ sở tính toán xác định các thông số và vị trí trạm chuyển tải hợp lý trên các mỏ lộ thiên… Trên

cơ sở đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn được phương án vận tải liên hợp tối ưu cho mỏ lộ thiên theo mô hình toán kinh tế

Các công trình [34], [35], [37], [40], [44] đã xem xét điều kiện sử dụng các dạng vận tải: ô tô, đường sắt, ô tô - băng tải, ô tô - trục tải; nghiên cứu các thông số cấu trúc, sơ đồ công nghệ các điểm chuyển tải, cơ sở lý thuyết lựa chọn dạng vận tải liên hợp

V.L.Yakovlev [49], [53] đã xây dựng lý thuyết hình thành vận tải mỏ sâu theo các vấn đề:

- Nghiên cứu quy luật hình thành dạng vận tải khi khai thác theo giai đoạn của

mỏ lộ thiên;

- Đánh giá kỹ thuật các công nghệ vận tải và cơ sở xây dựng các thông số hợp

lý và điều kiện sử dụng chúng ở mỏ lộ thiên sâu trong các chu kỳ khai thác;

- Thiết lập biên giới không gian sử dụng các dạng vận tải trong ranh giới mỏ;

- Sơ đồ hình thành hệ thống vận tải mỏ sâu

1.2.3 Phân tích các kết quả nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá

Các công trình nghiên cứu sâu về công nghệ vận tải trên mỏ lộ thiên đã trực tiếp hoặc gián tiếp đề cập tới phương pháp mô hình hóa quá trình sản xuất mỏ, tính toán thiết kế và tổ chức vận hành tổ hợp thiết bị vận tải theo mô hình tính toán kinh

tế đảm bảo năng suất yêu cầu và hiệu quả kinh tế cao Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài thường xuất phát từ điều kiện các mỏ có sản lượng lớn, các thiết bị chế tạo đã qua thử nghiệm và đánh giá trên quy mô công nghiệp trong khoảng thời gian 5÷10 năm

Các nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá hợp lý dựa trên phương pháp so sánh kinh tế theo hàm mục tiêu:

- Giá thành vận tải 1 tấn (1 m3) đất đá min

- Chi phí xúc vận tải và thải 1 tấn (1 m3) đất đá min

- Chi phí quy chuyển khai thác hoặc vận tải 1 tấn (1 m3) đất đá min

Một số trường hợp khác đã tính đến mức độ khó khăn, tiêu hao nhiên liệu, vật liệu, năng lượng

Phương pháp so sánh các chỉ tiêu kinh tế: Giá thành vận tải đất đá, chi phí quy chuyển vận tải đất đá…dựa trên các số liệu thống kê, các chi phí mua thiết bị, đơn giá nguyên, nhiên liệu phụ thuộc thị trường, điều hành kinh tế của Nhà nước nên chỉ đúng trong giai đoạn so sánh Trong khi đó, để nâng 1 tấn đất đá lên chiều cao 1 m mỗi công nghệ vận tải đều phải tiêu hao một năng lượng nhất định Năng lượng không phụ thuộc vào chính sách điều hành kinh tế của Nhà nước, lạm phát hay thị

trường Năng lượng là chỉ tiêu mang tính khách quan nhất và đúng trong mọi thời gian Chính vì vậy, ngoài tiêu chí lựa chọn về kinh tế cần kết hợp với tiêu chí về tiêu hao năng lượng của các công nghệ vận tải Từ đó, Nghiên cứu sinh (NCS) tập trung giải quyết các vấn đề về việc lựa chọn công nghệ vận tải đất đá hợp lý theo các điều kiện:

- Điều kiện cần: Quy mô công nghệ phù hợp với đặc điểm hình học, công suất trình tự, HTKT và năng suất lớn nhất;

- Điều kiện đủ: Công nghệ vận tải lựa chọn có chi phí vận tải quy chuyển và tiêu hao năng lượng nhỏ nhất, ít ảnh hưởng tới môi trường

- Công nghệ vận tải đất đá sử dụng ô tô đơn thuần với nhiều chủng loại, mã hiệu có tải trọng từ 36÷96 tấn hoạt động trên cùng các thông số của HTKT Từ năm 2009÷2013, chi phí vận tải chiếm 59,18% tổng chi phí sản xuất mỏ; chi phí đầu tư cho khâu vận tải chiếm 68,71% tổng đầu tư dây chuyền sản xuất Càng xuống sâu, chiều cao nâng tải, cung độ vận tải lớn Ô tô vận tải từ các tầng sâu đã xảy ra hàng loạt các hỏng hóc, hao mòn lốp nhanh, tình trạng tạm dừng nghỉ trong hành trình nâng tải trên bờ mỏ là thường xuyên Từ đó, chi phí vận tải tại các mỏ càng tăng;

- Các mỏ than lộ thiên sâu nước ngoài thường có kích thước hình học mỏ và khối lượng đất bóc lớn Khi chiều cao nâng tải lớn, công nghệ vận tải ô tô được thay thế bằng liên hợp ô tô - băng tải, ô tô - trục tải Công nghệ vận tải liên hợp đã phát huy các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của các dạng vận tải Đặc biệt, công nghệ vận tải chu kỳ - liên tục, ô tô - băng tải dốc với hệ thống băng nén có góc dốc

từ 30÷70o

mang lại hiệu quả cho sản xuất vì khối lượng xây dựng cơ bản nhỏ, giá thành đơn vị thấp ít ảnh hưởng tới môi trường;

- Công tác nghiên cứu lựa chọn công nghệ vận tải đất đá tại các mỏ sâu đã được nhiều nhà khoa học thực hiện dựa trên nhiều phương pháp nghiên cứu nhưng tập trung chủ yếu là phương pháp so sánh các chỉ tiêu kinh tế như: giá thành hay chi phí vận tải… Các chỉ tiêu kinh tế phụ thuộc vào thị trường và đúng trong thời điểm

so sánh Trong khi đó, năng lượng để nâng 1 tấn đất đá từ khai trường lên bãi thải là chỉ tiêu khách quan đúng trong mọi thời điểm Công nghệ vận tải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam cần đáp ứng các yêu cầu: đảm bảo khối lượng

mỏ với chi phí vận tải quy chuyển và tiêu hao năng lượng nhỏ nhất và ít ảnh hưởng tới môi trường

Chương 2 ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CÁC CÔNG NGHỆ VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN SÂU VIỆT NAM 2.1 Đặc điểm các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

2.1.1 Đặc điểm hình học mỏ

Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam thường có dạng đất bóc tập trung phía trên, khoáng sản nằm phía dưới sâu Các tầng phía trên cao có khối lượng đất đá bóc và chiều dài nhỏ; chiều dài tầng công tác và khối lượng đất đá bóc lớn nhất tập trung tại khu vực hào vận chuyển chính Số lượng tầng công tác lớn thường từ 10÷15 tầng Cường độ khai thác tại mỗi tầng tăng nên cường độ phát triển đới công tác trên các bờ lớn Biểu đồ phân bố khối lượng than đất và chiều dài trung bình tuyến công tác tại một số mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam như: Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn, Na Dương, được thể hiện ở các Hình 2.1÷2.3 Chi tiết tại Bảng PL 2.1÷PL 2.2 - Phụ lục Chương 2

Hình 2.2: Biểu đồ V, P, L ct =f(H) mỏ than Cao Sơn

Hình 2.3: Biểu đồ V, P=f(H) mỏ than Na Dương

2.1.2 Đặc điểm địa chất công trình

Đất đá tại các mỏ than lộ thiên Việt Nam có đầy đủ các loại nham thạch: Cuội, sạn kết, cát kết, bột kết Hàm lượng các thành phần nham thạch thay đổi khá nhiều