Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng quảng ninh”

Xuất phát từ thực tế nêu trên và nhằm góp phần thực hiện chương trình nội địa hóa thiết bị, tác giả chọn hướng nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của đầu

1.1 Tình hình khai thác than ở Quảng Ninh - Việt Nam 6

1.1.1 Mục tiêu và định hướng phát triển của ngành than 6

1.1.2 Về công tác đào lò của Vinacomin 7

1.1.3 Đặc điểm, phương pháp thi công đường lò cơ bản 9

1.2 Đặc điểm cơ lý tính của đá tại vùng than Quảng Ninh 9

1.2.1 Phân loại đá 9

1.2.2 Tính chất vật lý của đá 11

1.2.3 Tính chất cơ học của đá 14

1.2.4 Đặc điểm cấu trúc của đá 18

1.3 Máy và thiết bị khoan sử dụng trong khai thác than hầm lò 22

1.3.1 Đặc điểm chung 22

1.3.2 Một số loại máy - thiết bị khoan thường dùng 23

1.3.3 Một số loại máy khoan đập và đầu khoan đập 26

1.4 Các dạng đầu mũi khoan đập 32

1.4.1 Hình dáng chung của mũi khoan đập 32

1.4.2 Choòng khoan 33

1.4.3 Kết cấu và tính năng mũi khoan đập 34

Chương 2 LÝ THUYẾT KHOAN ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ĐẬP

36

2.1 Lý thuyết tính toán lực va đập của máy khoan đập 36

2.1.1 Các cơ chế phá hủy cấu trúc của đá 36

2.1.2 Phá hủy đá bằng va đập 38

2.1.3 Phân tích lực tác dụng lên đầu mũi khoan 40

2.1.4 Tính công khoan đá với đầu mũi khoan chữ thập 41

2.2 Cơ sở lý thuyết cơ học phá hủy của đá 41

2.2.1 Các mô hình phá hủy đá 41

2.2.2 Tiêu chuẩn phá hủy Mohr 42

2.2.3 Cơ sở lý thuyết phá hủy Hoek - Brown 42

2.3 Phá hủy đá bằng phương pháp khoan đập 54

2.3.1 Các phương pháp khoan đá bằng máy khoan đập 54

2.3.2 Phương pháp khoan đập 55

2.3.3 Xác định các thông số khoan đập 57

2.4 Cơ chế mòn của đầu mũi khoan 59

2.4.1 Ma sát và mài mòn đầu mũi khoan 59

2.4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến đầu mũi khoan 62

2.5 Phân tích ứng suất và biến dạng đầu mũi khoan 67

Chương 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM KHOAN

3.2.1 Thiết bị gá lắp máy khoan đập 81

3.2.2 Hệ thống đo các tham số khoan đập 83

3.2.3 Thiết kế chế tạo mạch, viết phần mềm điều khiển, thu thập và xử lý số liệu

đo 86

3.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm khoan đập 93

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐHỢP LÝ KHI KHOAN ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ĐẬP 98

4.1 Thử nghiệm đo lực, tốc độ khoan và độ mòn đầu mũi khoan 98

4.1.1 Trình tự thực nghiệm và xử lý số liệu 98

4.1.2 Thử nghiệm đo độ cứng và độ nén 99

4.1.3 Đo xác định độ mòn đầu mũi khoan 101

4.2 Phân tích ảnh hưởng của góc sắc và độ kiên cố của đá đến cường độ mòn đầumũi khoan 101

4.2.1 Điều kiện thử nghiệm 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

PHỤ LỤC 129

BẢNG KÝ HIỆU TỪ KHOÁ, CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu từ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt

3 Vinacomin Tập đoàn công nghiệp than và khoáng sản Việt Nam

11 Pk Lực dọc trục lên mũi khoan đập (lực đập)

và mép trong của một lưỡi cắt

18 f Độ kiên cố của đất đá theo M.M Prôtôđiakônốp

trong của lưỡi cắt

22 c Khoảng cách giữa hai mép trong của lưỡi cắt trên

cùng đường kính

23 ch Giới hạn chảy của vật liệu làm mũi khoan

24 max Ứng suất lớn nhất của đầu mũi khoan khi làm việc

31 Lò CBSX Lò chuẩn bị sản xuất

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quy hoạch sản lượng than hầm lò 6

Hình 1.2 Biểu đồ mét đào lò mới từ năm 20082012 8

Hình 1.3 Quy trình thi công đường lò cơ bản 8

Hình 1.4 Mặt phân cách trong khối đá 19

Hình 1.5 Máy khoan khí nén cầm tay YT - 27 27

Hình 1.6 Máy khoan khí nén cầm tay ПР- 30 28

Hình 1.7 Máy khoan với cột đỡ khí nén YO 29 28

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của khoan khí nén 29

Hình 1.9 Một số loại đầu khoan thuỷ lực 31

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của búa khoan thủy lực HL1500 31

Hình 1.11 Đầu mũi khoan đập kiểu bi cắt 32

Hình 1.12 Đầu mũi khoan đập kiểu chữ nhất 33

Hình 1.13 Đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập 33

Hình 1.14 Kết cấu choòng khoan đập kiểu lắp bằng ren 33

Hình 1.15 Choòng và đầu mũi khoan đập 33

Hình 1.16 Choòng khoan liền có đầu mũi khoan dạng chữ thập 34

Hình 1.17 Hình dáng hình học đầu mũi khoan đập 35

Hình 2.1 Các dạng phá huỷ 36

Hình 2.2 Các biểu hiện phá huỷ trên mẫu đá hoa cương khi nén ba trục 37

Hình 2.3 Sự lan truyền sóng ứng suất trong đá 38

Hình 2.4 Phân vùng biến dạng dưới tác dụng lực va đập 39

Hình 2.6 Mô hình phá hủy Mohr-Coulomb và mô hình phá hủy Hoek-Brown 42

Hình 2.7 Tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown với các chất lượng đá khác nhau 46

Hình 2.8 Các đường bao tại thời điểm phá hủy và sau khi phá hủy với tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown tổng quát hóa 46

Hình 2.9 Độ bền trước lúc phá hủy của các loại đá khác nhau 47

Hình 2.10 Mô hình khoan đá 55

Hình 2.11 Sơ đồ phá vỡ đất đá khi khoan đập 56

Hình 2.12 Ảnh hưởng tải trọng đến hệ số ma sát μ 59

Hình 2.13 Ảnh hưởng của vận tốc đến hệ số ma sát μ 60

Hình 2.14 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất khoan đá [2],[8] 63

Hình 2.15 Mối quan hệ giữa lực dọc trục và tốc độ khoan 64

Hình 2.16 Mối quan hệ giữa tốc độ khoan với đường kính lỗ khoan 65

Hình 2.17 Các kích thước đầu mũi khoan 67

Hình 2.18 Mô hình 3D đầu mũi khoan đập dạng chữ thập với góc sắc α = 1100 68

Hình 2.19 Ảnh đồ phân bố ứng suất đầu mũi khoan với α = 1100 và f=4 69

Hình 2.20 Ảnh đồ phân bố biến dạng đầu mũi khoan với α = 1100 và f=4 69

Hình 2.21 Ảnh đồ phân bố chuyển vị đầu mũi khoan với α = 110 và f=4 70

Hình 2.22 Ứng suất lớn nhất trên lưỡi cắt với góc sắc  và độ kiên cố f 73

Hình 2.23 Ứng suất trung bình trên lưỡi cắt với góc sắc  và độ kiên cố f 74

Hình 2.24 Ứng suất lớn nhất trên thân mũi khoan với góc sắc  và độ kiên cố f 74

Hình 3.1 Mẫu đá khu vực vùng Quảng Ninh 78

Hình 3.2 Mẫu đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập 79

Hình 3.3 Thiết bị thử nghiệm khoan 81

Hình 3.4 Gá lắp cảm biến siêu âm SRF05 83

Hình 3.5 Cảm biến siêu âm SRF05 84

Hình 3.6 Bộ truyền đai cho bộ chuyển đổi 85

Hình 3.7 Bộ chuyển đổi E40H8 - 1024 -3 - T- 24 85

Hình 3.8 Cảm biến áp suất được lắp đặt trong hệ thống truyền động khí nén 85

Hình 3.9 Cấu tạo của cảm biến đo áp suất 86

Hình 3.10 Sơ đồ khối quá trình đo 86

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán của quá trình đo 88

Hình 3.12 Sơ đồ chân và chức năng của vi mạch Atmega16 89

Hình 3.13 Màn hình hiển thị kết quả đo LCD 16x2 91

Hình 3.14 Sơ đồ mạch thiết bị đo 92

Hình 3.15 Bo mạch chính của thiết bị đo 92

Hình 3.16 Mô hình nghiên cứu QHTN khoan đá 94

Hình 4.1 Các mẫu đá khu vực Mạo Khê - QN 99

Hình 4.2 Các mẫu đá khu vực Cẩm Phả - QN 99

Hình 4.3 Các mẫu đá khu vực Uông Bí - QN 99

Hình 4.4 Máy đo độ cứng Hardness Testing Machine Moden AR-10 100

Hình 4.5 Máy đo độ cứng tế vi và đo chiều dày lớp thấm Wilson Wolpert Micro-Vickers Model 402MVD 100

Hình 4.6 Máy nén đơn trục 100

Hình 4.7 Phương pháp nén theo đường sinh 100

Hình 4.8 Máy đo cường độ mài mòn TE-Friction and Wrear Donsttrator (Anh) 101

Hình 4.9 Máy đo thông số hình học của đầu mũi khoan QLYMPUS - STM6 (Nhật

bản) 101

Hình 4.10 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α và độ kiên cố f 106

Hình 4.11 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc khi độ kiên cố khác nhau 106

Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với độ kiên cố khi góc sắc khác nhau 107

Hình 4.13 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α và lực đập Pk 112

Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc khi lực đập khác nhau 112

Hình 4.15 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với lực đập khi góc sắc khác nhau 113

Hình 4.16 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α và tốc độ choòng khoan n 116

Hình 4.17 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc ở một số tốc độ choòng khoan khác nhau 116

Hình 4.18 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với tốc độ choòng khoan ở góc sắc khác nhau 117

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sản lượng than theo quy hoạch của ngành 6

Bảng 1.2 Khối lượng mét lò đào năm 2008  2012 7

Bảng 1.3 Phân loại đất đá theo M.M Prôtôđiakônốp [8], [67], [68] 10

Bảng 1.4 Mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng của đá [14] 15

Bảng 1.5 Mô đun đàn hồi và hệ số biến dạng của đá [14] 15

Bảng 1.6 Giới hạn bền nén và Mô đun biến dạng của đá [14] 15

Bảng 1.7 Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý năm 2004 - mỏ than Mạo Khê [13] 16

Bảng 1.8 Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá năm 2004 - mỏ Cao Sơn 17

Bảng 1.9 Tỷ lệ nham thạch trong địa tầng và chiều dày trung bình của tầng 17

Bảng 1.10 Độ bền của các loại nham thạch vách trụ các vỉa than 18

Bảng 1.11 So sánh ưu nhược điểm của các máy khoan 24

Bảng 1.12 Bảng thông số kỹ thuật máy khoan khí nén cầm tay của Nga 30

Bảng 1.13 Bảng thông số kỹ thuật một số búa khoan thuỷ lực 30

Bảng 2.1 Phân nhóm đá theo độ giòn/dẻo 38

Bảng 2.2 Thông số của một số loại đá 39

Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật của máy nghiên cứu 68

Bảng 2.4 Giá trị lực cắt tương ứng góc sắc và độ kiên cố 68

Bảng 2.5 Giá trị lực ứng suất lớn nhất trên lưỡi cắt 71

Bảng 2.6 Giá trị lực ứng suất trung bình trên lưỡi cắt 72

Bảng 2.7 Giá trị lực ứng suất lớn nhất trên thân mũi khoan 72

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu bền nén, bền kéo cho một số loại đá khác nhau 79

Bảng 3.2 Giá trị hệ số biến dạng ngang β và mô đun biến dạng ξ của đá 79

Bảng 3.3 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF05 84

Bảng 3.4 Bảng thử nghiệm mẫu 94

Bảng 4.1 Cường độ mòn ih (%) của mũi khoan theo góc sắc α và độ kiên cố f 102

Bảng 4.2 So sánh sai số và kiểm tra sự tương thích: 103

Bảng 4.3 Cường độ mòn ih (%) của mũi khoan theo góc sắc α và lực đập Pk 109

Bảng 4.4 So sánh sai số và kiểm tra sự tương thích 110

Bảng 4.5 Cường độ mòn ih (%) của mũi khoan theo góc sắc α và tốc độ quay n 115

Bảng 4.6 Kết quả tính toán công đập theo thời gian, lực đập, chiều sâu sau 1 lần đập và số lần đập trong một phút 118

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong ngành khai thác than ở Việt Nam, hiện nay đang sử dụng hai phương phápkhai thác lộ thiên và khai thác hầm lò Do đặc điểm địa chất mỏ và yêu cầu bảo vệ môitrường, sản lượng khai thác lộ thiên ngày càng giảm, qui mô khai thác ngày càng thuhẹp; Sản lượng và qui mô khai thác than hầm lò ngày càng tăng Theo chiến lượcngành than [34], [35], đến năm 2015 sản lượng khai thác than lộ thiên là 18,615 triệutấn, sản lượng khai thác than hầm lò là 31,57 triệu tấn Đến năm 2020, sản lượng khaithác than lộ thiên là 18,155 triệu tấn, sản lượng khai thác than hầm lò là 36,6 triệu tấn

Để đáp ứng yêu cầu nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm và tăng sản lượngkhai thác than hầm lò nêu trên, cần thiết phải đẩy mạnh cơ khí hóa và hiện đại hóa cáckhâu trong công nghệ khai thác hầm lò một cách phù hợp với các mỏ của Việt Namnói chung và của vùng than Quảng Ninh Trong công nghệ khai thác hầm lò hiện nay ởvùng Quảng Ninh, công tác đào lò chuẩn bị đóng vai trò quan trọng Tổng số mét đào

lò năm 2010 là 347063 mét, năm 2011 là 382525 mét, năm 2012 là 353862 mét [36].Với điều kiện đất đá mỏ có độ kiên cố tương đối lớn nên công tác khoan nổ vẫn làphương pháp phổ biến trong thi công đào lò chuẩn bị và thi công các công trình ngầmtrong mỏ Tuy nhiên do điều kiện địa chất mỏ và đặc điểm của các đường lò cơ bảnviệc cơ giới hóa và tự động hóa thi công còn hạn chế; chủ yếu là dùng các khoan loạinhỏ, ngắn, đường kính mũi khoan nhỏ để thi công các đường lò cơ bản có khẩu độ vừa

và nhỏ tại vùng mỏ than hầm lò Quảng Ninh Máy khoan rất đa dạng về kết cấu vànguyên lý hoạt động phá vỡ đất đá khi khoan Hầu hết các máy khoan được nhập ngoại

từ nhiều nước khác nhau trên thế giới, vì vậy gây không ít khó khăn trong việc quản

lý, sử dụng, vận hành và sửa chữa thay thế Với độ kiên cố đất đá vùng Quảng Ninh,máy khoan đập được sử dụng phổ biến nhất với số lượng lớn trong các loại máy khoantại các mỏ Nhưng cho đến nay, trong nước chưa có công trình và tài liệu nào nghiêncứu một cách hoàn chỉnh về máy khoan và đầu mũi khoan đập thông dụng này

Các công trình nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu mũi khoan, phục hồi choòngkhoan và mũi khoan khi bị mòn hỏng hầu như chỉ được thiết kế, chế tạo theo mẫu,

chưa được chú ý nghiên cứu phù hợp với điều kiện đất đá vùng Quảng Ninh và điềukiện sử dụng cũng như các thiết bị liên quan để nâng cao tuổi thọ cho đầu mũi khoan

và hiệu quả khi khoan

Xuất phát từ thực tế nêu trên và nhằm góp phần thực hiện chương trình nội địa

hóa thiết bị, tác giả chọn hướng nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu xác định một số

thông số hợp lý của đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh”.

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra được quan hệ mòn hỏng của đầu mũikhoan với các yếu tố góc sắc, độ kiên cố của đất đá; lực đập và tốc độ quay củachoòng khoan Từ đó xác lập được vùng thông số hợp lý của các thông số nêu trên,làm cơ sở đánh giá tuổi thọ đầu mũi khoan, năng suất và hiệu quả khoan khi khoan tạo

lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập với góc sắc của đầu mũi khoan là đối tượng cụthể Độ kiên cố của đất đá vùng Quảng Ninh và các thông số công nghệ bao gồm lựcđập, tốc độ quay của choòng khoan là các yếu tố tác động đến mũi khoan trong quátrình khoan tạo lỗ nổ mìn vùng Quảng Ninh

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu độ mòn mũi khoan bằng cách xác lập quan hệ giữa góc sắc của đầumũi khoan với một số thông số công nghệ gồm: lực đập, tốc độ va đập, tốc độ quaycủa choòng khoan khi sử dụng máy khoan đập khí nén và độ kiên cố của đất đá vùngQuảng Ninh Với tiêu chí nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan, hiệu quả khi khoan

4 Phương pháp nghiên cứu

- Lý thuyết: Nghiên cứu tác động tương hỗ của đầu mũi khoan với đất đá vùngQuảng Ninh có độ kiên cố f = 6  8 và cơ chế mòn đầu mũi khoan;

- Mô hình, mô phỏng;

- Thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo thiết bị đo được các giá trị của các thông số

công nghệ cần nghiên cứu Đảm bảo độ chính xác của các phép đo.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1 Ý nghĩa khoa học

- Xây dựng được mối quan hệ giữa lực đập, công đập, tốc độ khoan phụthuộc vào góc sắc đầu mũi khoan, độ kiên cố của đất đá khoan Tìm ra vùngthông số công nghệ và hình học hợp lý để độ mòn đầu mũi khoan nhỏ nhất, khikhoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh;

- Thông qua thực nghiệm khoa học, xác lập phương pháp nghiên cứu lý thuyếtkết hợp thực nghiệm, nhờ phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định được cáchàm hợp lý quan hệ giữa thông số hình học đầu mũi khoan và các thông số công nghệcủa máy khoan, độ kiên cố của đất đá khoan làm cơ sở minh chứng cho các quy luật về

độ mòn đầu mũi khoan Góp phần bổ sung về lý thuyết khoan đập, làm cơ sở để xácđịnh độ mòn đầu mũi khoan trong những điều kiện cụ thể phục vụ công tác thiết kế,vận hành máy khoan đập nâng cao năng suất và tiết kiệm chi phí

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Thiết kế chế tạo được thiết bị thí nghiệm, thực nghiệm đưa ra kết quả và kếthợp với nghiên cứu lý thuyết cho phép xác định, lựa chọn thông số hợp lý về hìnhdạng hình học đầu mũi khoan, xung lực đập, chiều sâu đập, tốc độ quay của đầu mũikhoan nhằm tăng năng suất khoan, tuổi thọ đầu mũi khoan khi khoan tạo lỗ nổ mìntrong khai thác hầm lò Theo đó giúp giảm giá thành đầu mũi khoan, góp phần giảmnhẹ sức lao động; giảm giá thành sản xuất, nâng cao đời sống cho người lao động;

- Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể ứng dụng cho việc lựa chọn, sử dụng vàđặt mua dự trữ đầu mũi khoan tại các Công ty khai thác than ở Quảng Ninh Đồng thờilàm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo đầu mũi khoan đập thay thế nhập ngoại

6 Nội dung của luận án

Luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết, thựcnghiệm và mô phỏng ảnh hưởng của đối tượng khoan đến đầu mũi khoan đập Nội

dung của luận án gồm 4 chương chính làm rõ vấn đề nghiên cứu: “Nghiên cứu xác

định một số thông số hợp lý của đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn trong

khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh”, với các bảng biểu, hình vẽ, đồ thị và phần phụ

lục

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 2 Lý thuyết khoan đá bằng phương pháp khoan đập

Chương 3 Vật liệu, thiết bị và phương pháp thử nghiệm khoan đá bằng phương pháp khoan đập

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số thông số hợp lý khi khoan đá bằng phương pháp khoan đập

Kết luận

Danh mục các công trình khoa học được công bố

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

7 Luận điểm bảo vệ

- Nghiên cứu điều kiện sử dụng các thiết bị khoan trong việc đào lò cơ bản vàkhai thác than ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh, đã lựa chọn máy khoan đập khínén, đầu mũi khoan hình chữ thập để nghiên cứu;

- Dựa trên lý thuyết về ứng suất và biến dạng, sự phá hủy của đất đá khi chịu tácdụng của ngoại lực xây dựng được công thức tính toán lực đập, công đập, tốc độchoòng khoan phụ thuộc vào góc sắc và độ kiên cố của đất đá khoan; ảnh hưởng củacác thông số đó đến cường độ mòn đầu mũi khoan, năng suất khoan;

- Thiết lập phương pháp nghiên cứu, tính toán tiên tiến - phương pháp quy hoạchthực nghiệm, phần mềm ứng dụng, đo đạc các giá trị thông số thực nghiệm làm cơ sởxác định vùng thông số hợp lý của góc sắc, lực đập, tốc độ quay choòng khoan phùhợp với độ kiên cố đất đá vùng Quảng Ninh, nhằm lựa chọn, thiết kế, chế tạo, sửachữa đầu mũi khoan và máy khoan hợp lý theo tiêu chí tăng tuổi thọ và năng suất caokhi khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh

8 Điểm mới của luận án

- Đưa ra được các quy luật tác dụng giữa thông số hình học của đầu mũi khoan,thông số công nghệ khoan lỗ nổ mìn dưới hình thức một hàm hợp lý, làm cơ sở xácđịnh vùng hợp lý các thông số theo tiêu chí tuổi thọ đầu mũi khoan và năng suấtkhoan

- Xác định được phạm vi biến đổi hợp lý của 3 tham số (lực đập, tốc độ choòngkhoan, độ kiên cố của đất đá) và góc sắc với độ bền đầu mũi khoan và năng suấtkhoan, làm cơ sở cho việc lựa chọn các thông số hình học đầu mũi khoan và thông sốcông nghệ khi thiết kế, chế tạo mới và sửa chữa thay thế cũng như trong vận hành máykhoan để nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan, nâng cao năng suất và hiệu suất khi khoan

- Xác định được ảnh hưởng của góc sắc đầu mũi khoan, lực đập, độ kiên cố đất

đá và tốc độ choòng khoan đến cường độ mòn của mũi khoan (công thức 4.1, 4.2, 4.3);đưa ra được góc sắc hợp lý trên đầu mũi khoan trong khoảng (105115) độ, lực đậptrong khoảng (8386) kN và tốc độ choòng khoan trong khoảng (450550) vòng/phút

để khoan đất đá có độ kiên cố trong khoảng (68) tạo lỗ nổ mìn trong khai thác thanhầm lò vùng Quảng Ninh

Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả nhận được sự giúp đỡ nhiệt tìnhcủa các thầy trong Bộ môn Máy và Thiết bị mỏ, Khoa Cơ Điện, Phòng Đại học

và sau đại học, các bạn đồng nghiệp

Nhân dịp này nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng

dẫn: PGS TS Đinh Văn Chiến và PGS TS Đinh Bá Trụ

Tôi xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong bộ môn Máy và thiết bị mỏ,Khoa Cơ điện, Phòng Sau Đại học, Ban giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất HàNội; Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh; Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội;Trường Đại học Điện lực; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Học viện Kỹ thuậtQuân sự, Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ; Viện Khoa học Công nghệ Mỏ; Viện nghiêncứu cơ khí; Tập đoàn Than và khoáng sản Việt Nam - Vinacomin; Công ty than Mạokhê; Công ty than Nam Mẫu; Công ty xây dựng mỏ Hầm lò I; II - Vinacomin; bạn bè,đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ, ủ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHOAN TẠO LỖ NỔ MÌN TRONG KHAI

THÁC HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH1.1 Tình hình khai thác than ở Quảng Ninh - Việt Nam

1.1.1 Mục tiêu và định hướng phát triển của ngành than

Theo quy hoạch phát triển ngành than đến năm 2020 [34]., [35]., mục tiêu sảnlượng than khai thác toàn ngành ước đạt khoảng 5055 triệu tấn vào năm 2015;khoảng 5763 triệu tấn vào năm 2020 và 5966 triệu tấn vào năm 2025 Tốc độ tăngsản lượng khai thác đạt 3,15%/năm trong giai đoạn 20062015 và 1,76%/năm tronggiai đoạn 20162020

Quy hoạch phát triển sản lượng than toàn ngành được thể hiện trong Bảng 1.1 vàHình 1.1 (nguồn [34])

Bảng 1.1 Sản lượng than theo quy hoạch của ngành

Theo quy hoạch trên, sản lượng than lộ thiên có xu hướng giảm, trong khi sảnlượng than hầm lò có xu hướng tăng, từ 26,07 triệu tấn năm 2010 lên gần 31,57 triệutấn năm 2015 (tăng 21 %) và ước đạt gần 36,6 triệu tấn vào năm 2020, nhằm đáp ứngyêu cầu tăng sản lượng than khai thác của toàn ngành.

Thực hiện các kế hoạch này, Tập đoàn công nghiệp than và khoáng sản Việt Nam(Vinacomin) đang tập trung đầu tư cải tạo, mở rộng các mỏ hầm lò hiện có và đầu tưcác mỏ mới theo hướng hiện đại để tăng sản lượng than khai thác Trong đó, để đápứng các yêu cầu tăng sản lượng than khai thác hầm lò như trên đặt ra tính cấp thiếtphải đẩy mạnh quá trình hiện đại hóa công nghệ khai thác hầm lò, gắn với đầu tư đồng

bộ hệ thống vận tải, sàng tuyển chế biến và phụ trợ; đảm bảo các mỏ than hầm lò khaithác than hợp lý, hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường Do đó, nghiên cứuhoàn thiện công nghệ khai thác than hầm lò phù hợp với đặc điểm nước ta nói chung,đặc điểm vùng Quảng Ninh nói riêng luôn là rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.1.2 Về công tác đào lò của Vinacomin

Công tác đào lò là khâu đầu tiên trong xây dựng lò cơ bản, có vai trò quan trọngtrong khai thác than hầm lò

Số lượng mét lò được đào từ năm 20082012 của Vinacomin được thể hiệntrong Bảng 1.2 và Hình 1.2 (nguồn [36])

Mét lò đào mới: thực hiện năm 2011 là 382.525m bằng 110% so với năm 2010,trong đó mét lò xây dựng cơ bản là 73.205m bằng 116% so với năm 2010 Năm 2012thực hiện là 353.862m bằng 93% so với năm 2011, trong đó mét lò xây dựng cơ bản là

Mét lò TS; Lò CBSX; Lò XDCB

Hình 1.2 Biểu đồ mét đào lò mới từ năm 20082012.

Trên hình 1.2, thể hiện biểu đồ mét đào lò mới của Vinacomin từ năm20082012

1.1.3 Đặc điểm, phương pháp thi công đường lò cơ bản

Trong xây dựng lò cơ bản, do các điều kiện hạn chế và đặc điểm của các đường

lò cơ bản nên việc cơ giới hoá, tự động hoá khi thi công còn hạn chế nên chủ yếu làdùng khoan nhỏ, ngắn để thi công các đường hầm lò cơ bản có khẩu độ nhỏ và vừa.Quy trình thi công nói chung là khoan các lỗ khoan theo trục hầm, vuông góc vớigương đào đến độ dài thiết kế sau đó nạp thuốc nổ, lèn và gây nổ theo một trình tựnhất định, đất đá sẽ bắn tung theo hướng trục hầm và được bốc xúc ra ngoài, kết thúcmột chu kỳ khoan nổ [2], [15]., [24]

Quy trình thi công đường lò cơ bản khẩu độ vừa và nhỏ bằng phương pháp khoan

nổ như Hình 1.3

Hình 1.3 Quy trình thi công đường lò cơ bản.

Từ trước đến nay việc khoan tạo lỗ mìn ở các đường lò cơ bản chủ yếu bằng máykhoan điện, máy khoan khí nén cầm tay và có giá đỡ Nay đã đưa thêm công nghệkhoan nổ bằng máy khoan có giá di chuyển bằng xích guốc, như máy khoan 2 choòng

m

HD90 TOSAI Crawler Jumbo, đã góp phần giảm đáng kể chi phí đào lò Tuy vậy,công nghệ khai thác và xây dựng hầm lò vẫn chưa tương xứng với yêu cầu phát triểnngành khai thác than hiện nay của Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam -Vinacomin.

Để đạt được sản lượng khai thác hầm lò như hiện nay công tác đào lò chuẩn bị(xây dựng lò cơ bản) đóng một vai trò hết sức quan trọng Hiện nay khoan nổ làphương pháp phổ biến nhất trong thi công đào lò chuẩn bị, thời gian khoan các lỗthường chiếm từ 15% - 60 % tổng thời gian của một chu kỳ đi gương [1]

Trong công tác khoan, việc đặt thiết bị và tiến hành khoan các lỗ khoan đóng vaitrò quan trọng, nó quyết định lớn đến chất lượng thi công hình dáng mặt gương củađường lò cơ bản Công việc đó chiếm nhiều thời gian, tiêu hao nhiều nhiên liệu vànhân lực Qua khảo sát thực tế thi công các đường lò khẩu độ vừa và nhỏ ở các đơn vịcủa Vinacomin hiện nay, nhận thấy: công tác khoan nổ rất nặng nhọc, năng suất thấp,môi trường làm việc ô nhiễm dẫn tới tình trạng các hộ chiếu khoan đã thiết kế bị viphạm, ảnh hưởng nhiều đến hình dáng của gương đào và gây khó khăn cho các côngđoạn tiếp theo Công tác cơ giới hoá thi công đường lò chưa đựợc chú ý nhiều, đặc biệtđối với công tác khoan và thiết bị khoan [4]., [5]

1.2 Đặc điểm cơ lý tính của đá tại vùng than Quảng Ninh

1.2.1 Phân loại đá

Đặc điểm tính chất của đất đá quyết định việc lựa chọn phương pháp phá vỡchúng hợp lí và lập định mức cho công tác khoan, nổ [1], [2], [8]., [11], [66] Hiệuquả phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan nổ mìn được quyết định bởi những tínhchất khác nhau Khi khoan, vùng phá vỡ phụ thuộc vào ''tính chất vi mô'' của của đất

đá như độ cứng, độ mài mòn, độ hạt, độ dính, độ dẻo, độ giòn, độ rỗng, độ chứa nước,mật độ đất đá, độ nở rời, độ ổn định, tính phân lớp, độ nứt nẻ

Phân loại đất đá có ý nghĩa thực tế lớn khi tiến hành công tác mỏ trên quan điểmlựa chọn loại máy khoan, phương pháp nổ, xây dựng định mức khai thác và chi phínguyên vật liệu Theo M.M Prôtôđiakônốp độ kiên cố của đá được xác định bằng hệ

số f, được xác định theo giới hạn độ bền một trục của đá và tính theo công thức [13],

[65], [67], [68]:

100

n

f  (1.1)

trong đó: n - cường độ kháng tải của đất đá mỏ khi chịu nén một trục

Bảng 1.3 Phân loại đất đá theo M.M Prôtôđiakônốp [8], [67], [68]

cứng rất cao

Bazan, quắcdít rất cứng vàđặc Những loại đất đá khácđặc biệt cứng

87008

cứng

Granit rất cứng, pocfia thạchanh, đá phiến silic, cát kết và

đá vôi cứng nhất

86011

Granit đặc, Cát kết và đá vôirất cứng Vỉa quặng thạch anhcônglômêrát cứng - quặng sắtrất cứng

80018

Đá vôi cứng, granit khôngcứng lắm, cát kết cứng Đáhoa cương Đôlômít, Pirit

63026

kết, đất đá silic

Đất đá loại đá dăm Đá phiến

bị phá huỷ, cuội dính kết,than đá cứng Sét hoá cứng

56019

VIIa 1,0 Đất đá mềm Sét Than đá mềm Đất phủ

000VIIb 0,8 Như trên Sét pha cát nhẹ, sỏi, đất lót 38040VIII 0,6 Đất mặt Đất trồng trọt, than bùn, á sét

16042

Đối chiếu theo thang Prôtôđiakônốp, đá Quảng Ninh có độ kiện cố có giá trị nhưsau [13]:

- Tại Mỏ than Hà Tu, trên cơ sở thí nghiệm độ bền nén một trục thường có trị số

nằm trong khoảng f = 5-6, khi định mức thuốc nổ khi nổ mìn sử dụng f = 8-9.

- Ở các mỏ than khác như mỏ Mạo Khê, Cao Sơn, Nam Mẫu, Khe Chàm… một

số loại đá có hệ số f xác định được bằng công thức Prôtôđiakônốp trên cơ sở kết quả

thí nghiệm nén mẫu một trục cao hơn rất nhiều hệ số kiên cố cho phép, để xác định

định mức vật liệu nổ (đối với mỏ hầm lò f <10 và khai thác mỏ lộ thiên f <14).

1.2.2 Tính chất vật lý của đá

Tính chất vật lý của đá được đặc trưng bởi các đại lượng cơ bản là mật độ và độ

ẩm của đá [1]., [20]., [22], [31]., [43] Ngoài ra còn tính âm học, tính nhiệt động lựchọc và tính điện từ của đá

Mật độ của đá được đánh giá qua hai đại lượng vật lý đặc trưng là khối lượng

riêng và khối lượng thể tích

Khối lượng riêng của đá (0) là khối lượng phần cốt khoáng Mck tính theo một

đơn vị thể tích phần cốt khoáng V ck, nghĩa là:

0 =

1

n okvi kvi

Khối lượng thể tích của đá  được định nghĩa bởi tỷ số giữa khối lượng toànphần Mtp và thể tích toàn phần Vtp của mẫu đá được khảo sát:

 = tp

tp

M

V (1.5)Khối lượng toàn phần bao gồm khối lượng phần cốt khoáng và khối lượng cácchất chứa trong các lỗ rỗng và các vi khe nứt (như nước, không khí) Như vậy, khốilượng thể tích của đá không chỉ phụ thuộc vào thành phần vật chất mà còn phụ thuộcvào các yếu tố như: độ rỗng, thành phần vật chất có trong lỗ rỗng của đá Khối lượngthể tích là đại lượng phản ánh trạng thái vật lý của đá, cụ thể là mức độ nén chặt (haychèn chặt của đá) Do vậy trong các tài liệu chuyên môn còn sử dụng khái niệm mật độthay cho khái niệm khối lượng thể tích thông qua đại lượng khối lượng tỷ đối hay hệ

số mật độ của đá được định nghĩa theo biểu thức:

Nếu bỏ qua thành phần vật chất trong các lỗ rỗng, các vi khe nứt thì mối liên hệgiữa khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ rỗng có thể biểu diễn qua biểu thức:

Trọng lượng thể tích hay còn gọi là dung trọng của đá được tính từ khối lượngthể tích thông qua biểu thức:

.g

  (1.9)

trong đó,  - Dung trọng hay trọng lượng thể tích; g- Gia tốc trọng trường;

Trọng lượng thể tích của đá là đại lượng sử dụng rộng rãi trong cơ học đá và cáclĩnh vực liên quan

Độ ẩm của đá (W) được định nghĩa bằng tỷ số giữa khối lượng nước liên kết vật

lý, nước lỗ rỗng M n và khối lượng phần cốt khoáng M ck:

n ck

M W

M

Độ ẩm cũng được tính theo phần trăm hay theo tỷ phần đơn vị thập phân Độ

ẩm được xác định trong điều kiện tự nhiên được gọi là độ ẩm tự nhiên (W tn) Độ ẩm ở

điều kiện bão hoà nước được gọi là độ ẩm bão hoà (W bh) hay độ chứa ẩm toàn phần

Nước liên kết vật lý tồn tại trong đá dưới dạng màng mỏng liên kết với cácphần tử cấu trúc của đá nhờ lực hút phân tử giữa chúng Lượng nước liên kết vật lýtrong đá phản ánh khả năng hấp thụ nước của các khoáng vật tạo đá Nước liên kết vật

lý và nước lỗ rỗng bao bọc các phần tử cấu trúc của đá nên làm giảm lực liên kết giữacác phần tử cấu trúc, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học, vật lý của đá cũng nhưdung trọng của đá

1.2.3 Tính chất cơ học của đá

Các tính chất cơ học của đá và khối đá bao gồm mọi phản ứng (hay sự ứng phó,biểu hiện) của chúng khi chịu tác dụng của các trường cơ học (hay các tác động cơhọc) Các tính chất cơ học thường được phân ra hai nhóm là các thuộc tính biến dạng

và thuộc tính phá hủy, với giả thiết vật liệu đồng nhất và liên tục

Thuộc tính biến dạng của đá phản ánh khả năng biến dạng, nghĩa là khả năngbiến đổi hình dạng, kích thước của đá và khối đá dưới tác dụng của trạng thái tải nhấtđịnh Thuộc tính biến dạng được xác định bằng quan hệ giữa các ứng suất và biếndạng trong một thời gian và nhiệt độ nhất định Thuộc tính biến dạng của đá được biểudiễn bằng hệ phương trình theo các lý thuyết biến dạng khác nhau, phương trình vật lýđược biểu diễn dưới dạng tổng quát [14].,[22]:

F(,. ,,. ,t,T) = 0 (1.11)

trong đó,  - Ứng suất; . -Tốc độ thay đổi ứng suất;  - Biến dạng tỷ đối;  - Tốc độcủa biến dạng tỷ đối; t - Thời gian; T - Nhiệt độ

Các hệ số trong biểu thức (1.11) là các tham số có ý nghĩa cơ học nhất định do

đó được gọi là các tham số cơ học hay chỉ tiêu cơ học Mô đun đàn hồi, mô đun biếndạng và hệ số biến dạng ngang của một số loại đá như trong Bảng 1.4, 1.5 và 1.6 [14]

Thuộc tính phá hủy của đá.

Thuộc tính phá hủy của đá là khả năng chịu tải của đá, khối đá đến thời điểm bịphá hủy (nứt) dưới tác dụng của ngoại lực Độ bền của đá là chỉ tiêu đánh giá thuộctính phá hủy của đá Được xác định bằng giá trị giới hạn của thuộc tính biến dạng theo

các tiêu chuẩn phá hủy Như vậy, có thể thiết lập quan hệ giữa các tham số của trạngthái ứng suất và trạng thái biến dạng với độ bền của đá.

Bảng 1.4 Mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng của đá [14]

Bảng 1.5 Mô đun đàn hồi và hệ số biến dạng của đá [14]

STT Các giai đoạn biến dạng Mô đun đàn hồi

E, 10-4MPa

Hệ số biến dạngngang µ

1 Nén trước khi xuất hiện khe

4 Kéo (tất cả các giai đoạn được

*



D (1.12) ( , , , , , * ) 0

3

* 2

* 1

* 3

* 2

*



Q

trong đó: *,* - Ứng suất và biến dạng ở trạng thái giới hạn

Bảng 1.6 Giới hạn bền nén và Mô đun biến dạng của đá [14].

và tốc độ biến dạng không đổi.

Các thí nghiệm tại hiện trường để xác định các tham số cơ học của khối đá thôngthường là: nén, kéo, cắt trên mẫu khối đá, nén tấm, nén trong lỗ khoan hay đường hầm

Bảng 1.7 Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý năm 2004 - mỏ than Mạo Khê [13]

Loại đá

Dung trọng(g/cm3)

Độ bền kéo(kG/cm2)

Độ bền nén(kG/cm2)

Độ kiên cố

(f) Mức- 25 Mức-80 Mức-25 Mức-80 Mức-25 Mức-80 Mức-25 Mức-80

Cát kết 2.4-2.7

2.5

2.4-3.3 2.6

45-142 76

29-144 72

528-1681 119

346-1707 1136

5-17 12

3-17 11Bột kết 2.5-3.2

2.6

2.3-2.9 2.6

24-138 48

24-124 52

125-1148 714

271-1173 786

1-12 7

3-12 8Sét kết 2.2-2.5

2.4

2.1-2.6 2.4

8-38 19

14-48 28

91-454 232

148-435 330

1-5 2

1-4 3

Bảng 1.8 Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá năm 2004 - mỏ Cao Sơn.

Loại đá

Tính chất cơ lý

Dung trong (g/cm 3 )

Độ bền kéo (kG/cm 2 )

Độ bền nén (kG/cm 2 )

Độ kiên cố (f)

Sạn kết 2.5-2.65

2.58

54-12791

1118-18811364

11-1714

2.61 90 1217 12Bột kết 2.58-2.69

2.63

34-8953

470-933693

5-97

Theo công trình nghiên cứu: "Các giải pháp kỹ thuật công nghệ cho khu mỏ Tràng Khê", đặc điểm địa chất công trình của lớp đá trong tầng than như sau [37]:

Khu Tràng Khê ít bị chia cắt bởi kiến tạo, nên độ bền cơ học của nham thạchtương đối cao so với nham thạch cùng loại trong địa tầng chứa than khu vực Nhamthạch trong khu mỏ gồm 4 loại chủ yếu: sạn kết, cát kết, Alêvrôlít và Agilít chúngđược sắp xếp theo nhịp trầm tích, tỷ lệ nham thạch trong địa tầng và chiều dày trungbình của tầng như bảng 1.9:

Bảng 1.9 Tỷ lệ nham thạch trong địa tầng và chiều dày trung bình của tầng

Tên vỉa Chiều dày (m)Sạn kết % Chiều dày (m)Bột kết % Chiều dày (m)Sét kết %

Độ bền của các loại nham thạch vách trụ các vỉa than xem bảng 1.10:

Bảng 1.10 Độ bền của các loại nham thạch vách trụ các vỉa than

Loại đất đá Trung bình Độ bền kháng nén (kG/cmMax 2) Min

1.2.4 Đặc điểm cấu trúc của đá

Trong cơ học đá, đá được hiểu là mẫu đá, cục đá hoặc phần đá rắn cứng được baoquanh bởi các mặt phân cách (khối nứt) trong khối đá như Hình 1.4 [23] Vì vậy, đácòn được hiểu với nghĩa hẹp là đá liền khối hay đá nguyên vẹn Kích thước của chúngthường chất cơ học không quá 50 cm Các tính chất của chúng được nghiên cứu trongphòng thí nghiệm

Theo quan điểm của môn sức bền vật liệu đá có thể chủ yếu được nghiên cứutheo thành phần vật chất và đặc điểm cấu trúc [18].

Thành phần vật chất của đá là tập hợp các khoáng vật Trong các loại đá khácnhau, các khoáng vật tồn tại ở dạng các tinh thể khoáng vật hoặc mảnh vỡ khoáng vật,tuỳ thuộc vào nguồn gốc cũng như điều kiện thành tạo của chúng Mỗi loại khoáng vật

có thành phần vật chất nhất định (các nguyên tố hay hợp chất hoá học hình thành vàtồn tại tự nhiên) và chính các khoáng vật liên kết với nhau tạo nên đá do đó khoáng vậtđược coi là các phần tử cấu trúc của đá

Một loại đá có thể bao gồm từ một hay nhiều loại khoáng vật, do vậy thành phầnvật chất của đá được đánh giá qua hàm lượng các loại khoáng vật có trong đá Hàmlượng của mỗi loại khoáng vật thường được tính theo tỷ lệ phần trăm (%) hay tỷ phầnđơn vị (thập phân) của trọng lượng, thể tích hay diện tích của loại khoáng vật đó trong

đá Theo hàm lượng khoáng vật có trong đá, đá được phân biệt thành đá đơn khoáng

và đá đa khoáng Đá chỉ bao gồm từ một loại khoáng vật được gọi là đá đơn khoáng

Đá bao gồm từ hai hay nhiều loại khoáng vật gọi là đá đa khoáng

Về bản chất vật lý, mối liên kết trực tiếp có thể có dạng tương tự như mối liên kếtbên trong các tinh thể Trong một loại đá có thể tồn tại nhiều mối liên kết khác nhau

Do vậy, xác định lực liên kết cũng như năng lượng liên kết giữa các phần tử cấu trúc làmột vấn đề hết sức phức tạp Tuy nhiên, có thể rút ra quy luật mang tính định tính là:tổng năng lượng liên kết giữa các phần tử cấu trúc tỷ lệ thuận với diện tích mặt tiếpxúc giữa chúng Điều đó có nghĩa là trong cùng một đơn vị thể tích đá, diện tích mặttiếp xúc càng lớn thì năng lượng liên kết càng lớn

Ở các đá trầm tích cơ học, lực liên kết và năng lượng liên kết phụ thuộc vào bảnchất của các chất gắn kết Các chất gắn kết thường là sét, thạch cao, can xít, thạch anh

Đá với chất gắn kết là sét, thạch cao thường có lực gắn kết nhỏ hơn so với đá với chấtgắn kết là can xít, thạch anh

Hình 1.4 Mặt phân cách trong khối đá.

Dựa vào mức độ và bản chất mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc của đá có thểphân biệt ba loại đá khác nhau: đá bở rời là hỗn hợp cơ học của các phần tử cấu trúccùng loại hay khác loại mà giữa chúng không có mối liên kết nào cả, ví dụ như cát,cuội sỏi; đá dính kết là loại đá mà khi giữa các phần tử cấu trúc có mối liên hệ keo vớinước là chất gắn kết, ví dụ như sét, bô xít; và đá cứng có mối liên kết vững chắc hay

đá rắn chắc khi giữa các phần tử cấu trúc có mối liên kết cứng rắn

Mặt phân cách trong khối đá: khối đá có thể bao gồm từ một hay nhiều loại đá

khác nhau và có kích thước lớn như được thể hiện trên Hình 1.4 [23]

Với kích thước lớn như thế, trong khối đá thường tồn tại các mặt phân cách khácnhau; đó là những bề mặt làm gián đoạn tính liên tục của khối đá Các mặt phân cáchtrong khối đá có thể là mặt phân lớp, mặt phân phiến, các khe nứt (vi mô) và các phayphá hoặc đứt gẫy

Mặt phân lớp là bề mặt ranh giới phân chia các lớp đá trầm tích khác nhau ví dụ

giữa các lớp cát kết và than, hoặc các lớp đá trầm tích cùng loại nhưng khác nhau vềđặc điểm cấu trúc chẳng hạn giữa các lớp cát kết có kích thước hạt khác nhau Các mặtphân lớp thường bằng phẳng, xuất hiện trong thời gian ngừng hoạt động hoặc thay đổiđiều kiện của quá trình trầm tích

Mặt phân phiến có thể là các bề mặt bằng phẳng, cong hoặc lượn sóng xuất hiện

ở phần dưới sâu hay phần trên của vỏ Trái đất do tác dụng của các lực kiến tạo Chúng

là hậu quả của các quá trình biến chất của các đá trầm tích, đá phun trào hoặc đá biếnchất khác tạo thành các loại đá kết tinh mới

Các khe nứt là các vết rạn nứt, xuất hiện trong các lớp đá do tác dụng của các lực

kiến tạo gây ra, với đặc điểm là không có dịch chuyển tương đối của các phần tử đáhai phía (bờ) khe nứt dọc theo hướng phát triển

Phay phá (hoặc đứt gẫy) là các khe nứt đặc biệt lớn, ở đây đã xuất hiện hiện

tượng dịch chuyển ngược chiều của các phần tử khối đá đối diện với nhau ở hai bờcủa khe nứt, cũng vì vậy còn được gọi là đứt gẫy

Khi không chú ý đến nguồn gốc hình thành và đặc điểm riêng của các loại mặtphân cách, chúng ta gọi chung các mặt phân cách với khái niệm khe nứt hay vết nứt

Đặc điểm cấu trúc của khối đá được phân tích theo bốn dấu hiệu: kích thước và

hình dạng các phần tử cấu trúc; mối liên kết giữa các phần tử cấu trúc; quy luật sắpxếp; quy luật phân bố các phần tử cấu trúc

- Kích thước và hình dạng các khối nứt phụ thuộc vào mật độ và sự phân bố của

các hệ khe nứt trong khối đá Đại lượng nghịch đảo của hệ số mật độ khe nứt chính làkhoảng cách trung bình thống kê giữa các khe nứt của một hệ khe nứt dkn

kn knx kny knz

V d d d (1.14)

- Mối liên kết giữa các khối nứt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau Các

yếu tố chủ yếu bao gồm: chiều dày của các khe nứt, trạng thái bề mặt của khe nứt, các

chất lấp nhét trong khe nứt cũng như mức độ phân cách của khối đá Cũng vì thế chođến nay chưa có nhận định tổng quát về mối liên kết này.

Tuy nhiên, từ những dấu hiệu phân tích trên cho phép ta rút ra nhận xét là mốiliên kết giữa các phần tử cấu trúc càng tốt nếu như mức độ phân cách của khối đá càngnhỏ (càng ít), khe nứt có chiều dày càng nhỏ, chất lấp nhét là thạch anh hay can xít, bềmặt của khe nứt là nhám và răng cưa; ngược lại, mối liên kết càng yếu nếu như mức độphân cách lớn, chất lấp nhét là nước hay không khí, bề mặt khe nứt là phẳng và trơn.Trong thực tế có thể có nhiều tổ hợp khác nhau của các yếu tố kể trên do đó mối liênkết giữa các phần tử cấu trúc của khối đá rất phức tạp, đa dạng Nhận định trên chỉmang ý nghĩa định tính Để có thể có được nhận định, đánh giá định lượng, cần thiếtphải tiến hành khảo sát, phân tích kỹ từng trường hợp cụ thể

- Cấu trúc hướng: khối đá có thể có cấu trúc định hướng hoặc không định

hướng là hoàn toàn phụ thuộc vào các loại phần tử cấu trúc (khối nứt) cũng như sốlượng các hệ khe nứt và quy luật phân bố của chúng trong miền khối đá được khảo sát

Có thể phân biệt các trường hợp sau:

+ Khối đá chỉ bao gồm từ một loại đá: khi đó khối đá có cấu trúc vô hướng haykhông định hướng nếu các phần tử cấu trúc có dạng đều; khối đá có cấu trúc địnhhướng nếu các phần tử cấu trúc có dạng thanh hay dạng tấm Như vậy trong trườnghợp này cấu trúc hướng của khối đá phụ thuộc vào mật độ khe nứt của các hệ khe nứt

+ Khối đá bao gồm từ nhiều loại đá khác nhau: trong trường hợp này khối đá cócấu trúc định hướng rõ rệt bởi vì tính chất của các lớp đá cũng như các mặt phân cáchgiữa chúng luôn khác nhau

- Cấu trúc phân bố: Tuỳ thuộc vào các loại đá trong khối đá, các quy luật phân

bố của khối nứt trong khối đá mà cấu trúc được coi là đều hay không đều Khối đá cócấu trúc phân bố đều nếu như nó chỉ bao gồm từ một loại đá Trong trường hợp khác,khối đá có cấu trúc phân bố không đều Rõ ràng là, khi khối đá bao gồm từ hai haynhiều loại đá khác nhau, các loại đá tồn tại dưới dạng các lớp hay khối với ranh giớikhá rõ rệt do đó không thể có được phân bố đều các loại đá khác nhau trong đá Nếu

khối đá bao gồm chỉ từ một loại khối nứt thì khối đá được coi là đồng nhất, ngược lại

là khối đá không đồng nhất

1.3 Máy và thiết bị khoan sử dụng trong khai thác than hầm lò

1.3.1 Đặc điểm chung về nghiên cứu và sử dụng ở Việt Nam

Đến thời điểm hiện nay, các công trình nghiên cứu thiết kế chế tạo mũi khoan,phục hồi choòng khoan và mũi khoan khi bị mòn hỏng hầu như chỉ được thiết kế, chếtạo theo mẫu, chưa được chú ý nghiên cứu phù hợp với điều kiện đất đá vùng QuảngNinh Mới chỉ có Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Cơ khí - Hóa chất 13-

Bộ Quốc phòng sản xuất theo mẫu của các nước Liên Xô, Nhật bản, Trung Quốc…các loại mũi khoan xoay cầu, mũi khoan đập chữ nhất, mũi khoan đập chữ thập [38]

Máy khoan hầm lò có đường kính khác nhau; loại vừa có đường kính <100mm;loại lớn có đường kính từ 100200mm Nguồn động lực gồm: điện (xoay chiều, mộtchiều); khí nén (áp suất từ 4,57,5 Bar); thủy lực (áp suất từ 90160 Bar) Việc thoátphoi dùng nước hoặc khí nén tùy thuộc vào phương pháp khoan đập, xoay, đập - xoay,xoay đập hoặc xoay cầu [6]., [15], [25]

1.3.2 Một số loại máy - thiết bị khoan thường dùng

1.3.2.1 Máy khoan xoay điện

Máy khoan xoay sử dụng năng lượng điện khi làm việc choòng xoay tròn liên tụcnhờ lực ấn của người công nhân hay của giá khoan để mũi khoan tạo ra lỗ khoan [24] Máy khoan chỉ có thể khoan những lỗ khoan có độ cứng của quặng nhỏ và vừa Nếu

độ kiên cố f > 7 mũi khoan phải sử dụng vật liệu là hợp kim cứng

Tuy theo cách thức sử dụng, máy khoan xoay điện phân thành: khoan tay có côngsuất động cơ Nđ/c ≤ 2,7kW Điện áp cung cấp cho động cơ U = 127V; còn khoan có giácông suất động cơ Nđ/c ≥ 2,7kW Điện áp cung cấp cho động cơ U = 380V Ngoài ra,khoan sâu đường kính rộng còn gọi là máy khoan lò thượng

1.3.2.2 Máy khoan đập khí nén

Máy khoan đập chạy bằng khí nén do Trung Quốc và Liên Xô sản xuất như:

Y-26, YT-24, YL-18, YO-18, ПР-18, ПР-19, ПР-30, PK-60, máy khoan có cột đỡ khí

nén do Trung Quốc sản xuất như: YO-18, YO 29 , một số mỏ có trang bị khoan khínén cầm tay do Nhật bản sản xuất Nguyên lý làm việc của các máy khoan này tương

tự nhau [25]

Máy khoan khí nén dùng để khoan tạo lỗ trong đất đá Lỗ khoan có hình trụthẳng với đường kính và chiều sâu khác nhau tuỳ theo công dụng Khoan lỗ được thựchiện với nhiều mục đích khác nhau Trong khai thác các loại khoáng sản rắn, vật liệuxây dựng và trong các công trình, đường xá, khi khoáng sản có độ bền chắc cao, lỗkhoan được nạp thuốc nổ mìn phá huỷ chúng bằng sức nổ

Trong khai thác và xây dựng ngầm, lỗ khoan có thể dùng để thông gió hay vậnchuyển vật liệu xây dựng

Máy khoan khí nén tạo ra lỗ khoan theo nguyên tắc đập, vì vậy máy có thể khoanđược ở vỉa đất đá cứng Máy khoan tạo lỗ mìn ở cấp đất đá có độ kiên cố f= 412.Đường kính mũi khoan d = (33 52)mm (sử dụng nhiều d = 42mm)

Căn cứ vào phương thức hoạt động ta có: máy khoan tay có trọng lượng G ≤21

kG và máy khoan có giá trọng lượng G ≥ 21 kG

1.3.2.3 Máy khoan thủy lực

Máy khoan thủy lực 2 choòng HD90 TOSAI Crawler Jumbo ở mỏ được dùng đểkhoan đất đá [5]., quặng để tạo ra lỗ mìn để nạp mìn cho nổ để tạo ra độ tơi xốp cho đáquặng từ khối nguyên, tạo điều kiện dễ dàng cho việc bốc xúc và vận tải trên mỏ Khoan thuỷ lực hai cần, di chuyển bằng bánh xích sử dụng cho việc khoan tạo lỗmìn phục vụ cho việc đào các gương lò đá có tiết diện (424)m2 Máy khoan tạo lỗmìn ở cấp đất đá có độ kiên cố f = 20 Đường kính mũi khoan 33mm  55mm

Nguyên lý phá đá của máy khoan (xoay - đập): Đá quặng ở gương khoan đượccắt phá chủ yếu nhờ lực đập của mũi khoan và lưỡi cắt gây nên Việc đập cắt của mũi khoan được thực hiện thành từng nhát, có chu kỳ Máy di chuyển bằng xích

Điều kiện hoạt động: Nhiệt độ môi trường: (-30  +50) oC; độ cao lớn nhất sovới mực nước biển: 3000 m; máy khoan 2 choòng HD90 TOSAI Crawler Jumbo đangđược sử dụng thử nghiệm ở các mỏ khai thác hầm lò Việt Nam hiện nay

Ưu nhược điểm của các máy trên được so sánh trong Bảng 1.11

Bảng 1.11 So sánh ưu nhược điểm của các máy khoan

cơ tới choòng khoan

+ Máy khoan được các lỗ khoan cócác góc độ khác nhau, có thể khoanđược các lỗ khoan ở trên gươngkhoan cao hơn nền máy đứng đến2,2m;

+ Rất phù hợp khi sử dụng trong cácđường lò có không gian chật hẹp;

+ Có thể khoan trong môi trường cónước ngầm

+ Công nghệ lấy phoi tự nhiênnên gây ô nhiễm môi trườnglàm việc

+ Ảnh hưởng đến điều kiềnlàm việc của công nhân do độ

+ Rất phù hợp khi sử dụng trong cácđường lò có không gian chật hẹp

+ Có thể khoan trong môi trường cónước ngầm, tốc độ khoan nhanh,thời gian tháo lắp choòng nhanh

+ Công nghệ lấy phoi khí nén +nước, không gây ô nhiễm môitrường

+ Ảnh hưởng đến điều kiệnlàm việc của công nhân do độ

Loại máy Ưu điểm Nhược điểm

thủy lực động cao, tốc độ khoan nhanh, thời

gian tháo lắp ty nhanh, mọi thao tácđều được cơ giới hóa chính xác;

+ Máy khoan được các lỗ khoan cócác góc độ khác nhau, có thể khoanđược các lỗ khoan ở trên gươngkhoan cao hơn nền máy đứng đến4,5m; Năng suất khoan 1 ca trongđiều kiện đất đá ổn định từ (80 ÷100) m/ ca

+ Công nghệ lấy phoi tiên tiến,không gây ô nhiễm môi trường + Điều kiện làm việc của công nhânđược cải thiện tốt do độ ồn trongmáy ít

tiên tiến trong công tác khoan

nổ mìn: nổ vi sai qua hàng qua

lỗ do các thông số mạng đốivới loại máy khoan này chưa

có các loại dây vi sai phù hợp,thuốc nổ khi sử dụng loạithuốc nổ chịu nước thì Xínghiệp hóa chất mỏ sản xuấtchưa có chủng loại phù hợpđường kính lỗ khoan Vì vậykhi nổ mìn mà máy khoanTamrock thuỷ lực thi công tạicác khu vực có nước ngầm thìphải sử dụng thuốc nổ TNT + Máy nén khí có lưu lượngthấp do đó gặp khó khăn khikhoan trong môi trường cónước ngầm, khi khoan các lỗkhoan có chiều sâu lỗ khoan

³ 3 ty của máy khoan

+ Hạn chế khi sử dụng trongcác đường lò có không gianchật hẹp

+ Giá thành mét khoan cao, dothiết bị phải nhập ngoại hoàntoàn

Do các ưu, nhược điểm trên, cùng với đặc điểm khai thác hầm lò ở vùng QuảngNinh, thiết bị khoan đập khí nén được sử dụng phổ biến hơn cả

1.3.3 Một số loại máy khoan đập và đầu khoan đập

1.3.3.1 Giới thiệu chung về máy khoan đập

Hiện nay các Công ty khai thác mỏ lớn và công ty chuyên xây dựng đường hầm

ở trong nước như Công ty than Mạo Khê, Công ty than Nam Mẫu, Công ty than VàngDanh, Công ty than Hạ Long, Công ty than Khe Chàm, Công ty xây dựng mỏ Hầm lòI; II thuộc Tập đoàn công nghiệp Than và khoáng sản Việt Nam - Vinacomin; Tổngcông ty Sông Đà , Công ty Cavico Mining, Công ty Xây dựng Lũng Lô, Tổng công tythan Đông Bắc đã mua sắm những dây chuyền thiết bị thi công đường hầm hiện đạicủa nước ngoài với giá rất cao Các thiết bị này chỉ dùng và phát huy tác dụng trongviệc xây dựng các đường hầm với khẩu độ lớn phục vụ cho kinh tế dân sinh Tại cáccông trường xây dựng lò cơ bản ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh đang dùngphổ biến là khoan cầm tay chạy bằng khí nén do Trung Quốc và Liên Xô sản xuất như:Y-26, YT-24, YL-18, YO-18, ПР-18, ПР-19, ПР-30, PK-60, máy khoan có cột đỡ khínén do Trung Quốc sản xuất như: YO-18, YO 29 , một số mỏ có trang bị khoan khínén cầm tay do Nhật bản sản xuất [5]., [6]

Xe khoan ít được sử dụng vì kích thước đường lò, không gian thi công của đường

lò cơ bản rất hẹp, một số đường lò có độ dốc lớn Trong quá trình khảo sát tại một sốcông trường xây dựng lò cơ bản ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, đã có nhữngcải tiến giá đỡ máy khoan tay (máy khoan điện có giá), song không cơ bản Nhìnchung, trước đây chỉ quan tâm đến việc nghiên cứu sử dụng còn việc nghiên cứutính toán một số thông số của thiết bị khoan thi công đường lò cơ bản dùng trong khaithác than hầm lò vùng Quảng Ninh chưa được quan tâm thực hiện

Dưới đây là một số thiết bị khoan đã và đang sử dụng trong công tác thi công cácđường lò cơ bản dùng trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh và trong lĩnh vựcxây dựng giao thông, thuỷ lợi, thuỷ điện,

Hình 1.5 Máy khoan khí ép cầm tay YT - 27 (đang sử dụng tại Công ty than Mạo Khê, Công ty Xây dựng mỏ hầm lò 2)

Hình 1.6 Máy khoan khí ép cầm tay ПР- 30 (được sử dụng ở Công ty than Mạo Khê, Nam mẫu, Vàng Danh).

Hình 1.7 Máy khoan với cột đỡ khí ép YO 29.

1.3.3.2 Nguyên lý hoạt động của đầu khoan đập khí nén

Ở đầu khoan hoạt động bằng khí nén, công để phá huỷ đất đá là do búa đập Theođặc tính sử dụng gồm các loại: búa khoan cầm tay, búa khoan cột, búa khoan kiểu ốnglồng Các loại búa này có nguyên lý kết cấu và hoạt động giống nhau Sơ đồ nguyên lýcấu tạo của khoan khí nén như Hình 1.8 [17], thông số kỹ thuật trong Bảng 1.12 [64]

Nguyên lý hoạt động: (hình 1.8a)

Khi mở van, khí nén vào không gian D giữa nắp và thân búa rồi qua lỗ dẫn a vàokhoang A Đầu hành trình đập, nắp van 7 hình vành khăn ở vị trí tận cùng bên trái Khínén từ khoang A qua khe ở vành d giữa đĩa 6 và trục 9 vào khoang B đẩy vào mặt saupiston 2, làm nó chuyển động sang phải thực hiện hành trình đập Không khí trongkhoang C thoát ra ngoài theo lỗ xả e

a) b) Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của khoan khí nén.

a) Nguyên lý cấu tạo của đầu khoan đập khí nén b) Nguyên lý hoạt động của đầu khoan đập khí nén

Khi piston che kín lỗ e, không khí trong khoang C bị nén Piston càng sang phảithể tích khoang C càng giảm, áp suất khí càng tăng Mặt sau piston chạy qua lỗ e, khínén trong khoang B lập tức thoát ra ngoài qua lỗ này, áp suất trong khoang B giảmnhanh Cũng lúc này áp suất khí bị nén trong C đạt giá trị lớn nhất và theo đường b tớitác dụng vào mặt van 7 đẩy nó sang phải che kín lỗ dẫn d giữa A và B Piston chuyểnđộng theo quán tính và đập vào đuôi dụng cụ khoan 5 đập vào đất đá

Kết thúc đập, piston - búa lùi lại, lúc này khí nén từ khoang A theo b tới khoang

C tác dụng vào mặt trước piston đẩy nó lùi lại, khí từ B thoát ra ngoài theo lỗ e Khimặt sau piston che kín e, không khí trong B bị nén và áp suất tăng, piston càng lùi sangtrái chạy qua lỗ e, khí nén từ C thoát ra ngoài, áp suất giảm nhanh, piston lùi theo quántính Cuối hành trình lùi, áp suất trong B tăng cao, đẩy van 7 về vị trí ban đầu, che kínđường b và mở đường d Quá trình lặp lại như cũ Hành trình chuyển động của pistonvới búa khoan cầm tay từ 40 - 65mm Tần số đập của piston có thể từ 1500 - 2600 lần/

phút và gây ra sự rung giật với người vận hành hoặc thiết bị Ngoài thực hiện quá trìnhđập, búa khoan đảm bảo xoay dụng cụ khoan một góc nhất định sau mỗi nhát đập Quátrình xoay dụng cụ khoan do cơ cấu xoay thực hiện vào hành trình lùi của piston

Bảng 1.12 Bảng thông số kỹ thuật máy khoan khí nén cầm tay của Nga.

1.3.3.3 Đầu khoan đập thuỷ lực

Đầu khoan đập thuỷ lực có nguyên lý kết cấu hoạt động gần giống với đầu khoanhoạt động bằng khí nén nhưng cấu tạo hiện đại và phức tạp hơn Dầu thuỷ lực có ápsuất cao tác động lên mặt piston, đẩy vào dụng cụ khoan Số lần đập của dụng cụkhoan có thể lên đến 3.700 lần/ phút Việc giảm dập các tác động của sự va đập trongđầu khoan thuỷ lực được thực hiện bằng cách nạp Nitơ lỏng vào hộp kín ở phần cuốihành trình lùi của piston Với những tính năng vượt trội của mình, loại đầu khoan thuỷlực đang được sử dụng phổ biến trên các thiết bị khoan hiện đại Thông số kỹ thuậtmột số búa khoan thủy lực như Bảng 1.13 [39]

Bảng 1.13 Bảng thông số kỹ thuật một số búa khoan thuỷ lực.

Khối lượng (không có

LOẠI ĐƠN VỊ HD30 HD90 HD210 HIA175

Hình 1.9 Một số loại đầu khoan thuỷ lực

Ở đây tác giả chỉ trình bày về búa khoan HL1500 Kết cấu và nguyên lý hoạtđộng của búa như Hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của búa khoan thủy lực HL1500.

1 Bình tích năng thấp áp; 2 Bình tích năng cao áp; 3 Xy lanh; 4 Mô tơ xoay; 5.

Miếng đệm; 6 Hộp số; 7 Bộ phận thổi phoi

Nguyên lý làm việc:

Búa khoan là bộ phận tạo lực cơ bản phá vỡ đất đá của máy khoan, nó hoạtđộng dựa trên nguyên lý đập Môtơ xoay 4 của búa khoan được dẫn động bởi hộp số 6.Dầu thuỷ lực áp cao làm quay bánh răng, từ đó dẫn động làm quay đốc khoan (đuôicần khoan) tạo mô men cắt Mx phá vỡ đất đá Cơ cấu quay được bố trí ở phía trướccủa đầu đập Cơ cấu đập của búa khoan (xilanh 3) cũng được dẫn động bởi thuỷ lực.Piston đập hoạt động lên xuống được là nhờ van đảo chiều dẫn động dầu vào và ra