Nghiên cứu và xác định các tham số hợp lý của hệ thống khai thác lò dọc vỉa phân tầng sử dụng dàn chống tự hành trong điều kiện vỉa dày dốc vùng quảng ninh

NHỮ VIỆT TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ DỌC VỈA PHÂN TẦNG SỬ DỤNG DÀN CHỐNG TỰ HÀNH TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA DÀY DỐC VÙNG QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾ

NHỮ VIỆT TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ

HỢP LÝ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ DỌC VỈA PHÂN TẦNG SỬ DỤNG DÀN CHỐNG TỰ

HÀNH TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA DÀY DỐC

VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2017

NHỮ VIỆT TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ

HỢP LÝ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ DỌC VỈA PHÂN TẦNG SỬ DỤNG DÀN CHỐNG TỰ

HÀNH TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA DÀY DỐC

VÙNG QUẢNG NINH

Ngành: Khai thác mỏ

Mã số: 62.52.06.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Đỗ Mạnh Phong

2 TS Nguyễn Anh Tuấn

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu 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 năm 2017

Tác giả Luận án

Nhữ Việt Tuấn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HTKT LÒ DVPT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KIỆN

CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 51.1 Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới 51.1.1 Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới 51.1.2 Đánh giá kết quả áp dụng HTKT lò DVPT 181.1.3 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới 191.1.4 Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới 201.2 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 201.2.1 Khái quát chung về bể than Quảng Ninh 201.2.2 Đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 231.2.3 Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 311.2.4 Đánh giá kết quả áp dụng HTKT lò DVPT 351.2.5 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 351.2.6 Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 371.3 Kết luận Chương 1 37CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THU HỒI THAN NÓC TRONG HTKT

LÒ DVPT SỬ DỤNG DÀN CHỐNG 39

2.1 Quy luật dịch chuyển của than – đá trong quá trình thu hồi than nóc 39

2.2 Nghiên cứu quá trình thu hồi than nóc trên mô hình vật liệu tương đương 43

2.2.1 Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất – kỹ thuật mỏ 43

2.2.2 Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc dưới sự ảnh hưởng của kết cấu dàn chống và quy trình thu hồi than nóc 55

2.3 Nghiên cứu quá trình hạ trần, thu hồi than nóc của HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống KDT-2 tại mỏ than Hà Ráng bằng mô hình số 57

2.3.1 Lựa chọn các tham số và xây dựng mô hình mô phỏng 57

2.3.2 Khai thác mô hình mô phỏng 59

2.3.3 Phân tích, đánh giá các kết quả khai thác trên mô hình số 60

2.4 Kết luận Chương 2 65

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HTKT LÒ DVPT SỬ DỤNG DCTH TRONG ĐIỀU KIỆN CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC VÙNG QUẢNG NINH 66

3.1 Nghiên cứu, đề xuất công nghệ CGH áp dụng cho HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 66

3.2 Nghiên cứu xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 74

3.2.1 Nghiên cứu xác định chiều cao PTKT hợp lý 74

3.2.2 Nghiên cứu xác định chiều dài theo phương KKT hợp lý 77

3.3 Kết luận Chương 3 85

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ÁP DỤNG CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HTKT LÒ DVPT SỬ DỤNG DCTH TRONG ĐIỀU KIỆN CỤ THỂ 87

4.1 Khái quát chung về điều kiện địa chất khu vực được lựa chọn thiết kế áp dụng 87

4.2 Lựa chọn các thông số của HTKT và CNKT 89

4.3 Tính toán hộ chiếu chống giữ gương khai thác 90

4.3.1 Tính toán áp lực mỏ tác động lên dàn chống 90

4.3.2 Kiểm tra khả năng kháng lún của cột chống vào nền lò 92

4.4 Tính toán xây dựng hộ chiếu KNM và tổ chức sản xuất lò chợ 92

4.4.1 Tính toán hộ chiếu KNM 92

4.4.2 Tổ chức sản xuất lò chợ 94

4.5 Tính toán các chỉ tiêu KTKT của công nghệ 96

4.5.1 Sản lượng than khai thác 1 dải khấu 96

4.5.2 Sản lượng than khai thác 1 chu kỳ 96

4.5.3 Sản lượng than khai thác một ngày đêm 96

4.5.4 Sản lượng than khai thác một tháng 97

4.5.5 Công suất lò chợ 97

4.5.6 NSLĐ trực tiếp 97

4.5.7 Chi phí gỗ cho 1000 tấn than 97

4.5.8 Chi phí thuốc nổ cho 1000 tấn than 97

4.5.9 Chi phí kíp nổ cho 1000 tấn than 97

4.5.10 Chi phí dầu nhũ hóa cho 1000 tấn than 97

4.5.11 Chi phí nước sạch cho 1000 tấn than 98

4.5.12 Chi phí mét lò chuẩn bị cho 1000 tấn than 98

4.5.13 Tổn thất than 99

4.6 Tính toán giá thành phân xưởng của công nghệ 101

4.7 Đánh giá các chỉ tiêu KTKT của công nghệ được chọn 104

4.8 Kết luận Chương 4 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

PHỤ LỤC 116

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Kết quả áp dụng HTKT lò DVPT trên thế giới 5

Bảng 1.2: Tổng hợp SLKT tại bể than Quảng Ninh giai đoạn 2003 ÷ 2013 21

Bảng 1.3: Phân loại nham thạch trong địa tầng chứa than Quảng Ninh 26

Bảng 1.4: Các chỉ tiêu chất lượng than của bể than Quảng Ninh 28

Bảng 1.5: Tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày, dốc thuộc bể than Quảng Ninh 29

Bảng 2.1: Các đại lượng kích thước trên mô hình 45

Bảng 2.2: Tổng hợp các hệ số đồng dạng của mô hình vật liệu tương đương 47

Bảng 2.3: Tổng hợp tính chất cơ lý của các lớp đá được định nghĩa trong mô hình 58

Bảng 3.1: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của trạm bơm dung dịch CHΛ90/32 68

Bảng 3.2: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của DCTH KPV1 69

Bảng 3.3: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của băng tải co giãn DSJ 65/10/40 70

Bảng 3.4: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của cầu chuyển tải SZB 730/40 70

Bảng 3.5: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của máy khoan thủy lực VPS-01 71

Bảng 3.6: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của máy combain đào lò AM-50Z 73

Bảng 3.7: Tổng hợp kết quả tính toán chiều dài theo phương KKT theo điều kiện địa chất, kỹ thuật mỏ đặc trưng vùng Quảng Ninh 81

Bảng 4.1: Tổng hợp các chỉ tiêu KTKT của công nghệ 100

Bảng 4.2: Giá thành phân xưởng khai thác áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống KPV1 (theo thiết kế) 102

Bảng 4.3: Giá thành phân xưởng khai thác áp dụng HTKT chia lớp ngang nghiêng sử dụng giá thủy lực di động (áp dụng thực tế tại mỏ) 103

Bảng 4.4: Tổng hợp, so sánh các chỉ tiêu KTKT thực tế áp dụng và theo thiết kế 104

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn 6

Hình 1.2: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan dài 7

Hình 1.3: Sơ đồ HTKT lò DVPT kết hợp với máy khoan đường kính lớn 7

Hình 1.4: Tổ hợp CGH khai thác PKK 8

Hình 1.5: Tổ hợp CGH khai thác KPO 9

Hình 1.6: Tổ hợp CGH khai thác APV 9

Hình 1.7: Sơ đồ khu vực áp dụng tổ hợp APV tại vỉa Dày mỏ “Trung Tâm” 11

Hình 1.8: Tổ hợp CGH khai thác KPV 12

Hình 1.9: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp BMV-10 13

Hình 1.10: Tổ hợp dàn chống BMV-10 13

Hình 1.11: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp dàn chống KPV1 14

Hình 1.12: Tổ hợp dàn chống KPV1 15

Hình 1.13: Sơ đồ làm yếu trần than tại các PTKT 17

Hình 1.14: Máy rung 17

Hình 1.15: Phương pháp làm yếu bằng sóng phân cực tại mỏ “Kiselevskaya” 18

Hình 1.16: Biểu đồ quy hoạch sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh 22

Hình 1.17: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố chiều dày vỉa 29

Hình 1.18: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố góc dốc vỉa 30

Hình 1.19: Biểu đồ quan hệ giữa trữ lượng than với yếu tố chiều dày, góc dốc vỉa 30

Hình 1.20: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố chiều dài theo phương KKT 31

Hình 1.21: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn 32

Hình 1.22: Tổ hợp dàn chống KDT-2 tại mặt bằng cửa lò 33

Hình 1.23: Dàn tự hành KDT-1 34

Hình 2.1: Sơ đồ dịch chuyển của than, đá trong quá trình tháo than 40

Hình 2.2: Dịch chuyển của than - đá phá hỏa trong quá trình tháo than có áp dụng thiết bị pít tông đẩy ngang 41

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý dịch chuyển của than phía sau dàn chống CGH 42

Hình 2.4: Hình dạng và kết cấu tổng thể của mô hình thiết kế 44

Hình 2.5: Mô hình nghiên cứu sau khi gia công, chế tạo 45

Hình 2.6: Quá trình khai thác một số mô hình đặc trưng 49

Hình 2.7: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ tổn thất than và chiều cao phân tầng 50

Hình 2.8: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ tổn thất than và góc dốc vỉa than 51

Hình 2.9: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ tổn thất than và bước hạ trần than 52

Hình 2.10: Tổn thất than theo chiều cao phân tầng trên mô hình 53

Hình 2.11: Tổn thất than do góc dốc vỉa trên mô hình 54

Hình 2.12: Quá trình khai thác mô hình vật liệu tương đương 56

Hình 2.13: Mô hình số mô phỏng HTKT lò DVPT tại mỏ than Hà Ráng 59

Hình 2.14: Trạng thái ứng suất tự nhiên của mô hình trước khi tiến hành khai thác 60

Hình 2.15: Trạng thái ứng suất xung quanh lò DVPT 61

Hình 2.16: Quy luật thay đổi giá trị của ứng suất tại khu vực gần biên lò DVPT 61

Hình 2.17: Chiều cao trần than tự sập đổ trên nóc lò DVPT 62

Hình 2.18: Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc tại phân tầng thứ nhất 63

Hình 2.19: Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc tại phân tầng thứ hai 64

Hình 2.20: Quá trình sập đổ của đá vách vỉa 14 Núi Khánh, mỏ Hà Ráng 65

Hình 3.1: Sơ đồ HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH khai thác 67

Hình 3.2: Trạm bơm dung dịch CHΛ90/32 69

Hình 3.3: Băng tải co giãn DSJ 65/10/40 70

Hình 3.4: Cầu chuyển tải SZB 730/40 71

Hình 3.5: Máy khoan thủy lực VPS-01 72

Hình 3.6: Máy combain đào lò AM-50Z 73

Hình 3.7: Biểu đồ mối quan hệ giữa Lb và Qo 83

Hình 3.8: Biểu đồ mối quan hệ giữa Lb và h 84

Hình 4.1: Sơ đồ khu vực được lựa chọn thiết kế, áp dụng 88

Hình 4.2: Sơ đồ CNKT cho khu vực thiết kế áp dụng 90

Hình 4.3: Sơ đồ bố trí lỗ mìn hạ trần than nóc 94

Hình 4.4: Biểu đồ tổ chức chu kỳ khai thác 95

Hình 4.5: Biểu đồ bố trí nhân lực khai thác 95

Hình 4.6: Biểu đồ so sánh các chỉ tiêu KTKTcủa lò chợ thiết kế và lò chợ thực tế 105

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong 10 năm qua, sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh có sự tăng trưởng vượt bậc, từ khoảng 18 triệu tấn năm 2003 lên tới hơn 46 triệu tấn năm

2013, tăng gấp hơn 2,5 lần và tỷ trọng than khai thác hầm lò đã tăng từ 34 % lên đến hơn 50 % Theo kế hoạch, trong thời gian tới, sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh sẽ tiếp tục tăng và tỷ trọng than khai thác hầm lò sẽ tăng từ 58 % năm 2014 lên tới 88 % vào năm 2030 [1]

Hiện nay, tại bể than Quảng Ninh, sản lượng than khai thác từ các vỉa dày, dốc chiếm khoảng 10 ÷ 12 % tổng sản lượng than khai thác hầm lò Việc khai thác các vỉa than dày, dốc chủ yếu áp dụng HTKT lò DVPT và HTKT chia lớp ngang nghiêng, khấu bằng KNM, chống giữ bằng vì chống thủy lực Mặc dù các chỉ tiêu KTKT, mức độ an toàn lao động của các HTKT này đã được cải thiện so với HTKT buồng, song, SLKT, NSLĐ chưa cao, tổn thất tài nguyên còn lớn [4], [6]

HTKT lò DVPT sử dụng DCTH đã được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới với các giải pháp kỹ thuật và thiết bị đa dạng, cho phép nâng cao chiều cao PTKT

và chiều dài theo phương KKT, góp phần tăng NSLĐ, SLKT và mức độ an toàn lao động Hiện nay, trong điều kiện vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh, các kết quả nghiên cứu về công nghệ CGH còn rất hạn chế, số các công trình được đưa vào áp dụng còn rất ít, chưa thành công Do vậy, việc nghiên cứu, xác định các tham số hợp lý cùng các giải pháp kỹ thuật, thiết bị đi cùng phù hợp cho HTKT lò DVPT sử dụng DCTH nhằm nâng cao hiệu quả khai thác, an toàn sản xuất là công việc rất cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh nhằm nâng cao mức độ an toàn lao động và hiệu quả khai thác

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là các tham số của HTKT lò DVPT (chiều cao phân

tầng và chiều dài theo phương KKT) sử dụng DCTH

- Phạm vi nghiên cứu là các vỉa than có chiều dày lớn hơn 3,5 m, dốc hơn 450

thuộc các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới và trong nước

- Nghiên cứu quá trình thu hồi than nóc trong HTKT lò DVPT sử dụng DCTH

- Nghiên cứu, xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh

- Áp dụng các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện cụ thể

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp mô hình vật lý bằng vật liệu tương đương để nghiên cứu quá trình chuyển dịch của than nóc và đá phá hỏa khi tháo than hạ trần

- Phương pháp mô hình số nghiên cứu phá hủy, dịch chuyển của than và đá vách trong quá trình khai thác

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về các vấn đề như: áp lực mỏ, sập đổ, dịch chuyển của trần than, đá vách, ảnh hưởng của kết cấu dàn chống đối với quá trình thu hồi than nóc khi khai thác các vỉa than dày, dốc

- Phương pháp nghiên cứu tại thực tế hiện trường để đo đạc, thu thập các số liệu địa chất, kỹ thuật và quan sát quá trình khai thác tại mỏ Hà Ráng

- Phương pháp thống kê, tổng hợp, phân tích, so sánh số liệu để đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất, kỹ thuật mỏ và kết quả áp dụng HTKT lò DVPT trên thế giới và Việt Nam

Khi áp dụng các phương pháp trên, đã sử dụng các phần mềm máy tính để hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu như: DATAFIT, PHACE2, EXEL

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, xác định các

tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống trong điều kiện vỉa dày, dốc

vùng Quảng Ninh

Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể góp phần xây dựng hướng phát triển công nghệ CGH khai thác các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh, giải quyết những khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả, an toàn sản xuất than hầm lò hiện nay

7 Các luận điểm bảo vệ

- Tổn thất than trong quá trình khai thác áp dụng HTKT lò DVPT chủ yếu do không thể thu hồi được các khối than có hình tam giác (lăng trụ tam giác hoặc nêm than) nằm dưới nền lò, được hình thành một cách có hệ thống, theo chu kỳ hạ trần, thu hồi và lượng than nằm phía trụ vỉa, ổn định dưới góc dốc khoảng 730 ÷ 780

- Trong HTKT lò DVPT, khi thu hồi than hạ trần, than luôn dịch chuyển xuống trước, đá vách sập đổ sau, theo trật tự nhất định, không hỗn loạn và đá vách của phân tầng thứ hai trở đi luôn dễ sập đổ hơn phân tầng đầu tiên

- Trong HTKT lò DVPT, chiều cao PTKT tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa, tỷ lệ tổn thất than cho phép, tỷ lệ nghịch với bước hạ trần và có thể được nâng cao khi sử dụng DCTH có cửa sổ thu hồi than trên xà phá hoả với bộ phận cấp liệu phía dưới

và thu hồi than đồng thời trên các cửa sổ tháo, khe hở giữa các DCTH Trong điều kiện các vỉa dày, dốc đặc trưng vùng Quảng Ninh (vỉa dày 7 m, dốc 650), khi sử dụng DCTH, chiều cao PTKT hợp lý được xác định khoảng từ 13,2 ÷ 23,5 m

- Trong HTKT lò DVPT, chiều dài theo phương KKT tỷ lệ thuận với SLKT,

tỷ lệ nghịch với chiều cao PTKT và phụ thuộc vào kết cấu chống lò DVPT, độ cứng của than, sự nhịp nhàng giữa công tác đào lò – khai thác Trong điều kiện địa chất,

kỹ thuật các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh, chiều dài theo phương KKT hợp lý khi

sử dụng DCTH được xác định khoảng từ 130 ÷ 150 m

8 Các điểm mới của luận án

- Xác định, làm rõ được sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, kỹ thuât mỏ đối với tỷ lệ tổn thất than thu hồi khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh

- Xác định được quy luật xuất hiện ứng suất, dịch chuyển, sập đổ của trần

than, đá vách khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh

- Thiết lập được hàm số thể hiện mối quan hệ giữa các tham số của HTKT với các yếu tố địa chất - kỹ thuật - kinh tế và xác định được phạm vi chiều cao PTKT, chiều dài theo phương KKT hợp lý cho điều kiện các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH

- Đề xuất được các giải pháp kỹ thuật, đồng bộ thiết bị CGH, kết cấu dàn chống, quy trình thu hồi than nóc phù hợp khi áp dụng HTKT lò DVPT cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh

9 Các công trình đã công bố

Tác giả Luận án đã công bố 03 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, 04 báo cáo tại các hội nghị khoa học, 05 công trình nghiên cứu tại các hội đồng khoa học

10 Khối lượng và kết cấu của luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong 115 trang đánh máy khổ A4 210x217 mm với 19 bảng biểu, 57 hình vẽ và biểu đồ

Luận án được kết cấu gồm: phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận–kiến nghị Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đỗ Mạnh Phong, Bộ môn Khai thác Hầm lò và TS Nguyễn Anh Tuấn, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

11 Lời cảm ơn

Tác giả Luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Mỏ, Bộ môn Khai thác Hầm lò, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, đặc biệt là PGS.TS Đỗ Mạnh Phong và TS Nguyễn Anh Tuấn, những người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu Tác giả Luận án cũng đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu, sự ủng

hộ, giúp đỡ và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, lãnh đạo các đơn vị từ phòng Nghiên cứu CNKT Hầm lò - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ; Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam và các mỏ than hầm lò

như: Nam Mẫu, Mạo Khê, Hà Ráng, Vàng Danh, Quang Hanh, Khe Chàm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HTKT LÒ DVPT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KIỆN CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1.1 Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới

1.1.1 Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới

1.1.1.1 Các HTKT lò DVPT

Các HTKT lò DVPT được áp dụng trên thế giới tương đối phong phú, sử dụng CNKT thủ công và công nghệ CGH, thích ứng với các điều kiện địa chất, kỹ thuật

mỏ Các HTKT áp dụng CNKT thủ công bao gồm:

* HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn: đã được áp dụng ở nhiều

nước trên thế giới như: Pháp, Liên Xô (cũ), Ba Lan, Trung Quốc cho điều kiện vỉa dày, dốc, đá vách sập đổ trung bình, đá trụ ổn định trung bình Trong HTKT này (Hình 1.1), tầng được chia thành các phân tầng với chiều cao từ 6 ÷ 8 m, có trường hợp lên tới hơn 10 m Việc khấu than tại các phân tầng được thực hiện bằng KNM Kết quả áp dụng HTKT lò DVPT tại một số mỏ xem tại Bảng 1.1 [24]

Bảng 1.1: Kết quả áp dụng HTKT lò DVPT trên thế giới

TT Các chỉ tiêu Đơn vị

Giá trị

Mỏ Saint mary, Pháp

Treliabin, Nga

Kailuan, Trung Quốc

1 Chiều dày vỉa m 7 4,7 ÷ 5 3 ÷ 4

Hình 1.1: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn

Nhìn chung, HTKT này có ưu điểm như: SLKT và NSLĐ cao, gấp từ 1,5 ÷ 2,5 lần so với HTKT chia lớp nghiêng [24], chi phí gỗ thấp Nhược điểm của HTKT này là chi phí mét lò chuẩn bị lớn, tổn thất than cao

* HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan dài: được áp dụng tại bể than

Pennsylvania Hoa Kỳ cho điều kiện vỉa dày 4,5 ÷ 15 m; dốc > 410; đá vách và đá trụ bền vững, ổn định từ trung bình trở lên [21] Trong HTKT này, chiều cao PTKT khoảng 35 m Từ lò DVPT, khoan các lỗ khoan dài theo các dải hình rẻ quạt, khoảng cách từ 1,5 ÷ 3 m/dải; sau đó nạp, nổ mìn khai thác (Hình 1.2) HTKT đạt NSLĐ 28 tấn/công, tổn thất than 35 % [24]

HTKT này có ưu điểm: mức độ an toàn và NSLĐ cao, chi phí mét lò chuẩn bị, chi phí gỗ thấp; tuy nhiên, có nhược điểm như: tổn thất than cao, hiệu quả khai thác phụ thuộc rất lớn vào điều kiện địa chất, nhất là mức độ ổn định của vỉa than, độ kiên cố của than, độ bền đá vách, tính chất của đá kẹp trong vỉa, v.v

Hình 1.2: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan dài

* HTKT lò DVPT kết hợp với máy khoan đường kính lớn (PSO): được áp dụng

phổ biến tại Liên Xô (cũ) cho các vỉa than có chiều dày 3,0 ÷ 8,0 m, dốc > 45°, đá vách bền vững trung bình đến bền vững Sơ đồ chuẩn bị của HTKT này tương tự như HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn; tuy nhiên, có bổ sung thêm các lỗ khoan đường kính lớn để tháo than và thông gió cho gương khai thác (Hình 1.3) Các lỗ khoan có đường kính φ850 mm, cách nhau từ 6 ÷ 8 m, đôi chỗ lớn hơn Công tác đào lò chuẩn bị có thể được thực hiện bằng máy combai đào lò

Một số chỉ tiêu KTKT chính của HTKT đạt được: công suất khai thác đạt 50 ÷

60 ngàn tấn/năm, NSLĐ đạt 8 ÷ 15 tấn/công, tổn thất than 35 ÷ 45 % [24] HTKT này có ưu điểm là: công tác chuẩn bị, vận tải, thông gió, quy trình kỹ thuật đơn giản, đầu tư thấp và có nhược điểm là: chi phí mét lò chuẩn bị, tổn thất tài nguyên cao, vỉa phải ổn định về góc dốc, không có đá kép cứng trong vỉa

Trong điều kiện thuận lợi, các nước đã áp dụng công nghệ CGH Khi áp dụng công nghệ CGH, HTKT lò DVPT được chuẩn bị như khi áp dụng CNKT thủ công; tuy nhiên, các thông số của HTKT được tăng lên nhờ khả năng chống giữ của dàn chống, tốc độ khai thác, SLKT cao Các HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH trên thế giới bao gồm:

* Tại khu vực Prokopevsko-Kiselevsk, LB Nga: từ những năm 1970, đã áp

dụng ba tổ hợp CGH cho các vỉa dày từ 6 ÷ 10 m, dốc từ 45o ÷ 90o [29], bao gồm:

tổ hợp PKK do Nhà máy Chế tạo máy Kiselevsk sản xuất (Hình 1.4), tổ hợp KPO

do Viện Máy mỏ Siberi Sibgormash nghiên cứu, thiết kế (Hình 1.5) và tổ hợp APV của Viện Nghiên cứu và Thiết kế than Kuznetsk KuzNIUI (Hình 1.6)

Hình 1.4: Tổ hợp CGH khai thác PKK

Hình 1.5: Tổ hợp CGH khai thác KPO

Hình 1.6: Tổ hợp CGH khai thác APV

Các tổ hợp PKK và KPO được thử nghiệm tại vỉa Cháy mức +210, mỏ

“Krasnokamensk” với chiều dày 10 m, góc dốc 60 o ÷ 63o Đá vách trực tiếp là cát kết có độ bền trung bình, dày 9 ÷ 10 m Đá trụ là sét kết màu xám đen, phân lớp mạnh, độ bền yếu Than trong vỉa thuộc loại bán ánh kim, độ cứng 0,8 ÷ 1,2

Tổ hợp PKK được thử nghiệm tại cột thứ hai của vỉa Cháy để khai thác tận thu trụ than bảo vệ nằm giữa lò dọc vỉa chính và lò song song chân Chiều cao theo hướng dốc của trụ than là 9 m Lò DVPT cách lò dọc vỉa chính khoảng 3 ÷ 4 m, được đào với tiết diện sử dụng khoảng 2,2 m2 Giữa hai đường lò này, khoan các lỗ khoan đường kính 500 mm Chiều dài theo phương khu vực thử nghiệm khoảng 50

m, trong đó, khoảng 25 m đầu tiên được khai thác dưới lớp ngăn cách mềm

Tổ hợp KPO đã được thử nghiệm tại cột thứ ba cũng thuộc vỉa Cháy Chiều dài theo phương của cột 100 m, chiều dài theo hướng dốc 60 m Tầng khai thác được chia thành ba phân tầng Lò dọc vỉa chính đặt băng tải được đào với tiết diện

sử dụng 5,3 m2 và các lò DVPT được đào với tiết diện sử dụng 2,8 ÷ 3,7 m2 Trên các đường lò dọc vỉa, khoan các lỗ khoan có đường kính 500 mm, cách nhau

6 m/lỗ để tải than, hỗ trợ thông gió Phân tầng đầu tiên không được khai thác dưới lớp ngăn cách mềm, hai phân tầng còn lại được khai thác dưới lớp ngăn cách mềm

Tổ hợp APV được áp dụng tại vỉa Dày mức +15, mỏ “Trung Tâm” Vỉa dày

10 ÷ 12 m, dốc 45o ÷ 60o Than có nguy hiểm về nổ bụi than, có tính tự cháy Độ thoát khí tuyệt đối 1,44 m3/phút Độ cứng của than từ 0,8 ÷ 1,5 Vách, trụ vỉa có lớp than vò nhàu, dày 0,2 ÷ 0,4 m Đá vách là bột kết, nứt nẻ, xen với các thấu kính than mỏng Điều kiện địa chất khá phức tạp với nhiều đứt gãy địa chất lớn, biên độ đến 3 m, than - đá gần các đứt gãy bị làm yếu Khu vực thử nghiệm có chiều dài theo phương 180 m, theo hướng dốc 110 m (Hình 1.7) Tầng được chia thành bốn PTKT Việc thử nghiệm được tiến hành ở phân tầng trên cùng Lò dọc vỉa thông gió và vận tải có tiết diện là 3,7 m2 và 5,5 m2, được chống liền vì bằng vì gỗ

CNKT khi áp dụng ba loại tổ hợp trên cơ bản giống nhau, gồm các bước: phá

vỡ trần than bằng KNM; hạ trần, thu hồi than và đưa ra ngoài bằng tổ hợp chuyển tải dưới dàn chống và các máng cào; di chuyển tổ hợp DCTH Ban đầu, ba tổ hợp này được thử nghiệm khai thác dưới lớp ngăn cách mềm; tuy nhiên, trong quá trình thử nghiệm, do sự phức tạp của điều kiện địa chất, nên một số phân tầng không có lớp ngăn cách mềm Khi đó, việc thu hồi than nóc được dừng khi xuất hiện đá phá hỏa tại cửa tháo than Việc tháo than được tiến hành tại cửa sổ tháo than trên xà phá

hỏa (tổ hợp PKK) hoặc phía sau xà phà hỏa (tổ hợp KPO) hoặc bên hông lò dọc vỉa (tổ hợp APV) Việc di chuyển các tổ hợp trên được thực hiện cơ bản giống nhau

Tổ hợp được di chuyển nhờ lực kéo của dàn chống neo, kéo dàn chống tiến về phía trước với bước di chuyển khoảng 2 ÷ 3 m/chu kỳ Khi nóc lò dọc vỉa bị phá hủy, cần có sự hỗ trợ của các tời kéo (tổ hợp PKK) hoặc bằng cách neo vào phần dưới của vì chống lò dọc vỉa (tổ hợp KPO) hoặc sử dụng các cột thủy lực đơn đặc biệt (tổ hợp APV) Như vậy, ba tổ hợp trên đã được thử nghiệm tại các vỉa dày từ 6 ÷ 14

m, dốc 48o÷ 64o, chiều cao phân tầng từ 6 ÷ 23 m với kết quả như sau: tổng SLKT 29.775 tấn, tổng chiều dài tiến gương 320 m, NSLĐ trung bình tại gương khấu đạt

40 tấn/công, cao nhất 95 tấn/công, SLKT trung bình đạt 242 ÷ 472 tấn/ngày, cao nhất 855 tấn/ngày, tổn thất than khoảng 18 % (có lớp ngăn cách mềm)

Hình 1.7: Sơ đồ khu vực áp dụng tổ hợp APV tại vỉa Dày mỏ “Trung Tâm”

Năm 1975, Viện Máy mỏ Siberi Sibgormash đã chế tạo tổ hợp CGH KPV (Hình 1.8) trên cơ sở hoàn thiện kết cấu của tổ hợp dàn chống KPO Tổ hợp này đã được thử nghiệm công nghiệp tại mỏ hầm lò "Bungurskaya" thuộc Liên doanh

"Juzhkuzbassugol" Giai đoạn từ 12/1975 đến 3/1976 đã tiến gương được 110 m, SLKT 700 tấn/ngày Sau đó, tổ hợp này được đề nghị chế tạo hàng loạt [40], [41]

1: Dàn gương 2: Dàn neo 3: Cầu chuyển tải 4: Máng cào chất tải 5: Kích thủy lực di chuyển 6: Thiết bị neo di động 7: Hệ thống thủy lực 8: Hệ thống cửa sổ tháo than

* Tại Ba Lan: Công ty GEOTECH đã đề xuất HTKT lò DVPT sử dụng

DCTH BMV-10 của Slovakia (Hình 1.9, Hình 1.10), áp dụng tại mỏ "Kazimierz Juliusz” cho điều kiện vỉa dày 20 m, dốc 45o (còn gọi là HTKT podberkovoy) [22] Các thông số của HTKT: chiều dài theo phương KKT 150 ÷ 200 m, chiều cao PTKT 20 ÷ 40 m Mỗi tổ hợp CGH gồm 2 dàn chống, 1 cầu chuyển tải nằm giữa hai dàn chống, hệ thống di chuyển dàn chống và máng cào, máy khoan lỗ khoan dài, tổ hợp bơm cung cấp dung dịch nhũ hóa và các thiết bị khác

1: Lò dọc via thông gió trong đá 2: lò dọc vỉa vận tải trong đá 3: Lò xuyên vỉa trung

gian 4: Lò dọc vỉa khai thác 5: Phỗng tháo than 6: Gương khấu

Hình 1.9: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp BMV-10

Việc hạ trần than trên nóc lò dọc vỉa sử dụng phương pháp nổ mìn trong lỗ khoan dài Than được thu hồi tại khe hở giữa hai dàn chống Cửa thu hồi được điều tiết bằng các tấm chắn nóc Than thu hồi từ cửa tháo được rót xuống cầu chuyển tải, lên máng cào hoặc băng tải lò DVPT, sau đó được vận tải ra ngoài

Hình 1.10: Tổ hợp dàn chống BMV-10

* Tại vùng than Kuznetsk, LB Nga: HTKT lò DVPT đã được áp dụng rộng rãi

trong khai thác các vỉa dày, dốc [35] Công đoạn phức tạp nhất, quan trọng nhất của HTKT này là việc tháo than an toàn và hiệu quả từ trần than đã được làm yếu phía trên Để nâng cao hiệu quả và an toàn trong công đoạn thu hồi than nóc, Viện Mỏ Siberi thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã nghiên cứu, thiết kế tổ hợp dàn chống

CGH KPV1 cho HTKT lò DVPT để khai thác các vỉa dày, dốc tại vùng than Kuznetsk [32] Trong HTKT này, trần than phía trên lò dọc vỉa được làm yếu bằng các lò DVPT trung gian đào trong than, chiều dài theo phương KKT từ 150 ÷ 200

m, chiều cao phân tầng từ 15 ÷ 20 m (Hình 1.11)

Hình 1.11: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp dàn chống KPV1

Tổ hợp dàn chống KPV1 (Hình 1.12) bao gồm: 02 dàn chống, mỗi dàn chống gồm xà (1), cột chống thủy lực (2), xà nóc (3), cửa sổ thu hồi than nóc (4), bộ phận tiếp liệu kiểu pít tông để tải than thu hồi từ cửa sổ tháo than xuống cầu chuyển tải (5), tấm chắn dạng bản lề (6), máy chuyển tải ПСП-26 đặt giữa hai dàn chống và có khung được liên kết với 2 dàn chống (7) Việc di chuyển tổ hợp KPV1 và máy chuyển tải ПСП-26 theo tiến độ được thực hiện với sự trợ giúp của các kích thủy lực có liên kết với các cột chống phía trước gương

Hình 1.12: Tổ hợp dàn chống KPV1

Với đặc điểm kết cấu như trên, có thể thấy, tổ hợp dàn chống KPV1 có nhiều

ưu điểm như: diện tích cửa thu hồi lớn, việc tải than từ các cửa sổ tháo xuống cầu chuyền tải được CGH bằng bộ phận cấp liệu Những ưu điểm về kết cấu này có thể cho phép nâng cao hiệu quả thu hồi than nóc Ngoài ra, tổ hợp dàn chống KPV1 còn

có những ưu điểm khác như: công tác di chuyển, chống giữa, tải than được CGH; khả năng chống giữ tốt, có thể nâng cao an toàn cho gương khai thác

1.1.1.2 Các giải pháp kỹ thuật khi áp dụng HTKT lò DVPT

Cho tới nay, trong HTKT lò DVPT, các khâu công nghệ chính như: vận tải, thông gió, kiểm soát khí mỏ, cấp – thoát nước, cấp điện đã được giải quyết tốt bằng các giải pháp kỹ thuật, thiết bị hiện có

Khi áp dụng các tổ hợp CGH trong HTKT lò DVPT, nâng cao chiều cao PTKT, đồng thời áp dụng các kỹ thuật làm yếu trần than là một trong những giải pháp quan trọng, cho phép nâng cao hiệu quả thu hồi, SLKT và NSLĐ Sau khi di chuyển dàn chống, trần than phía trên lò DVPT tự sập đổ một phần, phần còn lại cần có các giải pháp kỹ thuật làm yếu cưỡng bức Có nhiều phương pháp làm yếu

trần than đã được sử dụng trên thế giới như:

Phương pháp làm yếu trần than bằng KNM: sử dụng kíp nổ vi sai phi điện an

toàn, chất nổ dạng dẻo, nạp bằng thiết bị CGH hoặc thủ công để nổ mìn trong các lỗ khoan dài, được khoan từ lò DVPT lên trần than Phương pháp này được sử dụng hiệu quả tại mỏ Kazimierz Juliusz, Ba Lan Nhược điểm của phương pháp này là không sử dụng được trong điều kiện mỏ có nguy hiểm về nổ khí, bụi

Phương pháp làm yếu trần than bằng thủy lực: sử dụng nước có áp suất cao,

ép lên các mặt lớp, khe nứt, gây phá vỡ khối than (Hình 1.13a) [33], [34] Nhược điểm của phương pháp này là kích thước khối than bị làm vỡ lớn, gây khó khăn khi thu hồi qua cửa tháo, dẫn tới tổn thất và làm nghèo than [43], [44]

Phương pháp làm yếu trần than bằng địa chấn: được Viện Mỏ Siberi thuộc

Viện Hàn lâm Khoa học Nga đề xuất (Hình 1.13b) Phương pháp này sử dụng các máy rung (Hình 1.14), được lắp đặt trên các lò dọc vỉa trung gian, trong vùng áp lực tựa, ở khoảng cách 15 ÷ 20 m tính từ gương [39], tạo các sóng ngang, gây biến dạng

kéo trong trần than và làm phá hủy khối than nguyên

Hình 1.13: Sơ đồ làm yếu trần than tại các PTKT

Hình 1.14: Máy rung Phương pháp làm yếu trần than bằng sóng phân cực và tạo rung trong lỗ khoan: được thử nghiệm tại mỏ “Kiselevskaya”, Kuzbass, cho hiệu quả tốt (Hình

1.15)

Ngoài các phương pháp trên, một số mỏ đã áp dụng phương pháp làm yếu trần than bằng các lò DVPT trung gian đào trong trần than cho điều kiện vỉa rất dày Phương pháp này nhìn chung hiệu quả không cao, chi phí lớn

Hình 1.15: Phương pháp làm yếu bằng sóng phân cực tại mỏ “Kiselevskaya”

Trong các phương pháp trên, phương pháp làm yếu trần than bằng KNM có nhiều ưu điểm hơn cả do thi công đơn giản, có thể kiểm soát tốt kích cỡ khối than được làm vỡ, góp phần nâng cao hiệu quả thu hồi than nóc

- Các HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH khai thác đã sử dụng đa dạng các chủng loại thiết bị, các giải pháp kỹ thuật và đạt các chỉ tiêu KTKT tốt, đặc biệt

là mức độ an toàn lao động, SLKT và NSLĐ cao

- Khi áp dụng CGH khai thác, góc dốc vỉa thường lớn hơn 450, chiều dày vỉa thường lớn hơn 5 m, có trường hợp lên tới 20 m và các thông số của HTKT đã được nâng cao, chiều cao PTKT lên tới 40 m, chiều dài theo phương KKT lên tới 200 m

- Phương pháp làm yếu trần than bằng KNM có nhiều ưu điểm hơn cả do thi công đơn giản, có thể kiểm soát tốt kích cỡ khối than được làm vỡ, góp phần nâng

cao hiệu quả thu hồi than nóc

- Dàn chống KPV1 có nhiều ưu điểm hơn cả nhờ kích thước cửa tháo lớn, có

bộ phận cấp liệu với khả năng điều chỉnh dòng than thu hồi, góp phần nâng cao hiệu quả thu hồi, giảm tổn thất than

1.1.3 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới

Phần lớn các kết quả nghiên cứu về HTKT lò DVPT thuộc các công trình nghiên cứu chung về khai thác vỉa dày, dốc Các công trình này không chỉ có ý nghĩa về mặt thực tiễn, đó là nâng cao được hiệu quả khai thác, an toàn lao động,

mà rất có ý nghĩa về mặt khoa học, đó là nghiên cứu, xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố địa chất, kỹ thuật mỏ với hiệu quả và mức độ an toàn khai thác Trong nghiên cứu, các tác giả chủ yếu sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu tại hiện trường, một số trường hợp sử dụng mô hình vật liệu tương đương và gần đây sử dụng mô hình số (FLAC, UDEX, PHACE 2) Các công trình nghiên cứu tiêu biểu về HTKT lò DVPT gồm: Các tác giả A.P Xudoplatov, V.F Paruximov, L.N Gapanovich, A.V Xtarikov, A.V Xakharov đã tổng hợp kết quả áp dụng, đánh giá ưu nhược điểm, xu hướng hoàn thiện các HTKT gương lò ngắn trên thế giới cho các điều kiện vỉa khác nhau, trong đó có đề cập, nghiên cứu HTKT lò DVPT sử dụng lỗ khoan dài [24] Tác giả L.D Seviakov đã tổng hợp điều kiện địa chất, kỹ thuật, kết quả áp dụng, hướng hoàn thiện các HTKT cho điều kiện các vỉa dày, dốc tại bể than Kuzbass, LB Nga, trong đó có đề cập HTKT lò DVPT áp dụng CNKT thủ công [38] Tác giả A.P Tomasexki đã tổng hợp, đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng áp dụng các thiết bị CGH đào lò, khai thác cho HTKT lò DVPT và một số HTKT khác tại bể than Kuzbass, LB Nga [25]

Tác giả K.A Ardasev đã nghiên cứu bước sập đổ của đá vách và phương pháp điều khiển áp lực mỏ khi khai thác các vỉa dốc, dày trung bình và mỏng Các kết quả nghiên cứu có thể áp dụng tính toán áp lực mỏ cho HTKT lò DVPT [30]

Tác giả Xu Yong Qi đã tổng hợp kinh nghiệm khai thác các vỉa than có điều kiện

địa chất khác nhau tại Trung Quốc Đối với vỉa dày, dốc đã tổng hợp kinh nghiệm khai thác áp dụng HTKT lò DVPT và một số HTKT gương lò ngắn khác [23]

Từ kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về HTKT lò DVPT

có thể đánh giá, nhận xét như sau:

- Các HTKT lò DVPT đã áp dụng phong phú, đa dạng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ và đồng bộ thiết bị, thích ứng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau

- Việc hoàn thiện HTKT chủ yếu tập trung vào các giải pháp kỹ thuật, công nghệ cho từng khu vực cụ thể Các tham số của HTKT chủ yếu được chọn theo kinh nghiệm, không có phương pháp tính toán, xác định bằng công thức toán học

- Phương pháp nghiên cứu sử dụng là phân tích lý thuyết kết hợp với nghiên cứu tại hiện trường, mô phỏng quá trình khai thác bằng mô hình vật liệu tương đương

và trong những năm gần đây, sử dụng phương pháp mô phỏng bằng mô hình số

1.1.4 Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới

Để nâng cao hiệu quả, an toàn trong khai thác vỉa than dày, dốc trên thế giới,

có thể hoàn thiện HTKT lò DVPT theo các hướng như sau:

- Tăng cường áp dụng các tổ hợp CGH khai thác theo hướng sử dụng các DCTH có kết cấu hạ trần, thu hồi dạng cửa sổ với kích thước lớn, có khả năng điều tiết dòng than, cho phép nâng cao hiệu quả thu hồi, giảm tổn thất than

- Khi áp dụng các tổ hợp CGH khai thác, các thông số của HTKT cần điều chỉnh theo hướng nâng lên tới mức phù hợp; đồng thời, tăng cường sử dụng giải pháp làm yếu trần than bằng KNM

1.2 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh

1.2.1 Khái quát chung về bể than Quảng Ninh

Bể than Quảng Ninh có diện tích khoảng 1.400 km2,rộng từ 10 ÷ 20 km, kéo dài từ Phả Lại (Hải Dương) đến Cái Bầu (Quảng Ninh) và được phân chia thành ba khu vực: Cẩm Phả, Hòn Gai, Uông Bí Khu vực Cẩm Phả nằm phía Đông của bể than, có 11 khoáng sàng than Khu vực Hòn Gai nằm ở trung tâm của bể than, có 6

khoáng sàng than Khu vực Uông Bí nằm ở phía Tây của bể than, gồm hai dải than: dải chứa than phía Bắc và dải chứa than phía Nam Dải than phía Bắc hiện đã định danh được 06 khoáng sàng than, phần còn lại chưa được tìm kiếm, thăm dò Dải than phía Nam hiện đã định danh được 7 khoáng sàng than

Than của bể than Quảng Ninh thuộc loại Antraxít, có chất lượng tốt Tổng trữ lượng than còn lại của bể than tính đến ngày 1/1/2011 là 8.826.923 ngàn tấn Với trữ lượng đã xác định, ngành Than sẽ huy động vào khai thác khoảng 3.268.803 ngàn tấn, tương ứng với trữ lượng công nghiệp khoảng 2.241.881 ngàn tấn; trong

đó, giai đoạn từ năm 2012 ÷ 2030 sẽ khai thác khoảng 1.211.063 ngàn tấn [1] Hiện nay, tại Quảng Ninh, có khoảng 20 mỏ, điểm khai thác lộ thiên và khoảng 30 mỏ hầm lò, trong đó có 5 mỏ lộ thiên có công suất trên 2 triệu tấn/năm

và 10 mỏ hầm lò có công suất trên 1 triệu tấn/năm Tổng hợp SLKT than theo [1],

[11], [12], [13] xem tại Bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2: Tổng hợp SLKT tại bể than Quảng Ninh giai đoạn 2003 ÷ 2013

TT Năm

khai thác

Khai thác lộ thiên Khai thác hầm lò Tổng sản

lượng (ngàn tấn)

Sản lượng (ngàn tấn)

Tỷ trọng (%)

Sản lượng (ngàn tấn)

Tỷ trọng (%)

Như vậy, trong khoảng hơn 10 năm, từ 2003 ÷ 2013, SLKT tại bể than Quảng Ninh có sự tăng trưởng vượt bậc, từ khoảng hơn 19 triệu (2003) đã lên tới hơn 45 triệu (2011), tăng gấp gần 2,4 lần và tỷ trọng than khai thác hầm lò đã tăng từ 35,1

% (2003) lên đến hơn 54,0 % (2013) Trong các năm 2014, 2015 và 2016, sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh có giảm nhẹ so với năm 2013; tuy nhiên, tỷ lệ than khai thác hầm lò vẫn có chiều hướng tăng Trong thời gian tới, nhu cầu than đáp ứng cho sự phát triển của nền kinh tế được dự báo như sau: năm 2020 khoảng 60 ÷ 65 triệu tấn, năm 2025 khoảng 66 ÷ 70 triệu tấn và năm 2030 khoảng trên 75 triệu tấn Theo [1], sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh được quy hoạch nhằm đáp ứng nhu cầu của nền kinh tế xem tại Hình 1.16 dưới đây

Hình 1.16: Biểu đồ quy hoạch sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh

Biểu đồ trên cho thấy, SLKT tại bể than Quảng Ninh có xu hướng tăng, đạt cao nhất khoảng 70 triệu tấn vào năm 2023 ÷ 2024; trong đó, sản lượng tăng chủ yếu từ than khai thác hầm lò với tỷ trọng tăng từ 58 % năm 2014 lên tới 88 % vào năm

việc áp dụng công nghệ CGH ở các công đoạn sản xuất, sử dụng các thiết bị đồng

bộ, hiện đại, công suất lớn Trong các giải pháp trên, giải pháp đẩy mạnh áp dụng công nghệ CGH đóng vai trò quan trọng nhất, cho phép nâng cao SLKT, NSLĐ, an toàn sản xuất, giảm số người làm việc trong mỏ

1.2.2 Đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh

1.2.2.1 Phương pháp đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất, kỹ thuật mỏ

Luận án chọn phương pháp đánh giá tổng hợp trữ lượng than và đặc điểm các yếu tố điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến tại các nước thuộc Liên Xô (cũ) và Việt Nam, cho kết quả tin cậy [5], [10] Các chỉ tiêu định tính, định lượng chủ yếu về điều kiện địa chất – kỹ thuật mỏ được lựa chọn đánh giá bao gồm:

- Chiều dày vỉa (M): theo phân loại, các vỉa có chiều dày lớn hơn 3,5 m [8]

- Góc dốc vỉa: theo phân loại, các vỉa có góc dốc lớn hơn 45o[8]

- Mức độ biến động chiều dày vỉa (V m ) [7]:

m n

m m

(1.1) Trong đó: mi: chiều dày vỉa tại điểm đo thứ i, m;

mtb: chiều dày vỉa trung bình, m;

n: số điểm đo

Nếu : Vm < 35 %: thuận lợi cho việc áp dụng CGH khai thác;

Vm > 35 %: khó khăn cho việc áp dụng CGH khai thác

- Mức độ biến động góc dốc vỉa (Vα) [7]:

% 100 )

1 (

n V

α

α α

α (1.2) Trong đó:

αi: góc dốc vỉa tại điểm đo thứ i, (độ);

αtb: góc dốc vỉa trung bình, (độ);

có diện lộ trần khoảng 10 ÷ 15 m2 và duy trì trong khoảng 1 ÷ 2 giờ

+ Tính chất sập đổ: là khả năng sập đổ tự do của từng lớp hoặc của tập lớp đá vách có độ dày khác nhau phía sau khoảng không gian được chống giữ và được chia thành các loại: rất dễ sập đổ, dễ sập đổ, sập đổ trung bình, khó sập đổ và rất khó sập

đổ Tính chất sập đổ của đá vách phụ thuộc vào độ bền, tính chất nứt nẻ, phân lớp của đá và một vài yếu tố khác

+ Tính chất tải trọng: gồm ba loại là nhẹ, trung bình và nặng Chỉ tiêu phân loại là tỷ số giữa chiều dày tập lớp đá vách dễ sập đổ với chiều cao khấu của vỉa than (h/m):

- Mức độ phá hủy kiến tạo (k 1 ): được biểu thị bằng các hệ số [7]:

k1 = l/s (m/ha) (1.3) Trong đó:

l: tổng chiều dài phay phá trong khu vực (m);

s - diện tích khu vực (ha)

Theo VNIMI, mức độ phá hủy kiến tạo đượcphân thành 4 loại như sau:

Loại I: k1 = 50m/ha - phá hủy kiến tạo yếu;

Loại II: k1 = 50 ÷ 150 m/ha - phá huỷ kiến tạo tương đối mạnh;

Loại III: k1 = 150 ÷ 250 m/ha - phá hủy kiến tạo mạnh;

Loại IV: k1 > 250 m/ha - phá hủy kiến tạo rất mạnh

Khu vực có mức độ phá hủy kiến tạo loại I, loại II thuận lợi cho khai thác

- Tỷ lệ đá kẹp và hệ số lớp kẹp trong vỉa:

+ Tỷ lệ đá kẹp trong vỉa (K1k) được xác định theo công thức [10]:

%100

v

k k

m

m

K , % (1.4)

Trong đó:

Σmk: tổng chiều dày các lớp đá kẹp trong vỉa (m);

mv: chiều dày vỉa than (m)

K1 > 20 %: rất khó khăn cho công nghệ CGH khai thác

+ Hệ số lớp kẹp (K2k) được xác định theo công thức [10], [28]:

% 100

v

k k

mv: chiều dày vỉa than (m)

Theo [10], nếu: K2k≤ 2 – vỉa có cấu tạo đơn giản;

k

K2> 2- vỉa có cấu tạo phức tạp

Ngoài các tiêu chí cơ bản trên, có thể đánh giá thêm các tiêu chí khác như: độ chứa và thoát khí của vỉa, điều kiện địa chất thủy văn - công trình, tính tự cháy của

than, phương pháp mở vỉa và chuẩn bị ruộng mỏ, hạ tầng kỹ thuật…

1.2.2.2 Kết quả đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất, kỹ thuật mỏ

- Địa tầng:

Địa tầng chứa than có tuổi địa chất thuộc hệ Triats - Thống Thượng, bậc Nori - Rêti - hệ tầng Hòn Gai (T3n-rhg), phụ hệ tầng Hòn Gai giữa T3n-rhg2 Chiều dày địa tầng thay đổi từ 200 ÷ 300 m đến 1500 m Địa tầng chứa than khu vực Cẩm Phả chứa

từ 22 đến 35 vỉa than Khu vực Hòn Gai chứa hơn 22 vỉa than tại khối phía Bắc, trong

đó có 7 đến 12 vỉa than có giá trị công nghiệp và 15 vỉa than tại khối phía Nam, trong

đó có 8 đến 10 vỉa than có giá trị công nghiệp Tại dải than Uông Bí - Mạo Khê - Đông Triều - Phả Lại chứa gần 60 vỉa than, trong đó có 37 vỉa than có giá trị công nghiệp [1] Địa tầng chứa các loại đá: sét than, sét kết, bột kết, cát kết, cuội sạn kết Sự chuyển tiếp của nham thạch tương đối nhịp nhàng, theo quy luật chung của quá trình trầm tích Phân loại các nham thạch trong địa tầng xem Bảng 1.3 [3]

Bảng 1.3: Phân loại nham thạch trong địa tầng chứa than Quảng Ninh

TT Tên đá và đặc điểm Độ bền nén (KG/cm2)

max - min Trung bình

1 Sét kết phân lớp rất mỏng, bở, dễ hoá dẻo 100 ÷190 100 ÷150

2 Sét than phân lớp mỏng, thường kẹp

- Kiến tạo:

Toàn bộ khu vực Cẩm Phả là một phức nếp lõm có trục chạy theo hướng gần

Tây – Đông Tại khu vực Hòn Gai, khối phía Bắc là các nếp uốn có phương cấu trúc

chính là vĩ tuyến, khối phía Nam là các nếp uốn lớn có phương gần kinh tuyến Khu

vực Uông Bí - Phả Lại có các nếp uốn lớn như: nếp lõm Bảo Đài, có trục kéo dài

theo vĩ tuyến, nếp lõm Trung Lương và nếp lồi Mạo Khê - Tràng Bạch Các nếp

uốn lớn có chiều dài từ 35 km đến 40 km, góc dốc của cánh từ 200 ÷ 800 và trên hai

cánh thường phát triển các nếp uốn bậc cao Trong phạm vi khối kiến tạo, mật độ

nếp uốn trung bình từ 0,98 ÷ 1,28 nếp uốn/km và chiều dài mỗi cánh nếp uốn dao

động từ 200 ÷ 400 m [1] Có các đứt gãy lớn như: đứt gãy A-A, Bắc Huy, B-B,

A2-A2, N-N, L-L tại khu vực Cẩm Phả; đứt gãy K-K, A-A, Nam Hòn Gai, Hà Ráng,

Hà Tu ở khu vực Hòn Gai và đứt gãy Trung Lương, F.B khu vực Uông Bí Ngoài ra

còn có nhiều đứt gãy nhỏ Hơn 90 % các đứt gãy nhỏ được phát hiện trong quá

trình đào lò và khai thác Nếu chỉ tính các đứt gãy lớn, mật độ đứt gãy thấp, nhỏ

hơn 50 m/ha Các đứt gãy nhỏ có biên độ dịch chuyển từ 5 ÷ 20 m và thường xuất

hiện với mật độ 10 ÷ 20 đứt gãy/km2 Một số kết quả nghiên cứu mật độ đứt gãy tại

một số mỏ như sau: mỏ Vàng Danh có k1 =150 ÷ 200 m/ha; mỏ Mông Dương, vỉa

12 có k1 =140 m/ha, vỉa 11 có k1 =70 m/ha, vỉa 10 có k1 =150 m/ha [10], [15]

- Điều kiện địa chất thủy văn:

Do địa hình bị chia cắt mạnh, nhiều sông suối, lượng mưa hàng năm lớn (khoảng 2400 mm/năm, thời gian mưa khoảng 5 ÷ 6 tháng) [10] Các mỏ phần lớn

khai thác dưới mức thông thủy, nên điều kiện thủy văn rất phức tạp Nước trong

trầm tích chứa than liên quan chặt chẽ với nước mặt và thay đổi theo mùa: về mùa

mưa, lưu lượng nước trong lò lớn gấp 15 ÷ 30 lần so với mùa khô và đạt tới 5000 ÷

6000 m3/giờ Trong quá trình khai thác, đã có một số mỏ bị ngập nước như Hà Lầm,

Mông Dương, Bình Minh, Vàng Danh, gây thiệt hại lớn về người và tài sản Tại

một số mỏ hầm lò, nước mỏ có tính ăn mòn kim loại mạnh

- Điều kiện khí mỏ:

Phần lớn các mỏ được xếp loại I, II về độ chứa khí mê tan, ngoại trừ mỏ Mạo

Khê được xếp siêu hạng sau khi xảy ra vụ nổ khí năm 1999 Đã có một số vụ nổ khí xảy ra trong những năm gần; tuy nhiên, nguyên nhân chính là do khí bị tích tụ không được xử lý Khi khai thác xuống sâu, độ chứa khí trong các vỉa than tăng lên

- Tính tự cháy của than:

Than của bể than Quảng Ninh có khả tự cháy thấp Trong quá trình khai thác mới phát hiện vỉa 24 – mỏ Tràng Khê II, III và vỉa 5 mỏ Khe Chuối có tính tự cháy

- Trữ lượng các vỉa than:

Luận án sử dụng kết quả nghiên cứu của TS Nguyễn Anh Tuấn, Viện KHCN

Mỏ năm 2007 [16] Trong công trình này, tác giả đã sử dụng phương pháp đánh giá

tổng hợp trữ lượng than và đặc điểm các yếu tố điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ Đối tượng được đánh giá là các khối kiến tạo có hình dạng đơn giản (hình vuông hoặc chữ nhật), chứa các vỉa than có chiều dày > 3,5 m và góc dốc > 450 thuộc 9 mỏ than hầm lớn vùng Quảng Ninh Tổng trữ lượng than các vỉa dày, dốc thuộc bể than Quảng Ninh được xác định có điều kiện thuận lợi, có khả năng áp dụng công nghệ CGH khai thác là 116.564,90 nghìn tấn (xem Bảng 1.5), chiếm khoảng 10 ÷ 12 % tổng trữ lượng của các khoáng sàng [16]

Bảng 1.5: Tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày, dốc thuộc bể than Quảng Ninh

Tỷ lệ (%)

1 Mạo Khê - Tràng Khê 6; 7; 8; 9; 9A; 9B -150 ÷ LV 30.013,0 25,75

2 Vàng Danh 4; 5; 6; 7; 8 -150÷+260 13.389,2 11,49

3 Than Thùng-Yên Tử 4; 5; 6; 6A, 7; 7trụ, 8 -350÷+290 36.535,5 31,34

4 Suối Lại - Hòn Gai 10 (7); 11(8); 14(10) -150 ÷ LV 10.116,3 8,68

Phân tích các yếu tố địa chất - kỹ thuật mỏ theo trữ lượng như sau:

+ Theo yếu tố chiều dày vỉa (Hình 1.17)

Hình 1.17: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố chiều dày vỉa

Từ biểu đồ trên cho thấy, chiều dày vỉa tập trung lớn nhất ở giới hạn 5,0 ÷

10,0 m, chiếm 48,8 %, tiếp theo ở giới hạn 3,5 ÷ 5,0 m, chiếm 34,4 % Nhóm vỉa có

34,40

48,80 16,80

3,5 - 5,0 5,0 - 10,0

chiều dày hơn 10 m chiếm 16,8 % tổng trữ lượng, tập trung chủ yếu tại khoáng sàng

Hà Lầm, Hòn Gai và Hà Ráng

+ Theo yếu tố góc dốc vỉa (Hình 1.18)

Hình 1.18: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố góc dốc vỉa

Từ biểu đồ trên cho thấy, nhóm các vỉa có góc dốc 45o ÷ 55o và các vỉa có góc dốc lớn hơn 55o tương đối cân bằng nhau, lần lượt chiếm 48,37 % và 51,63 % tổng trữ lượng các vỉa dày, dốc có khả năng áp dụng công nghệ CGH

Tổ hợp yếu tố chiều dày và góc dốc vỉa thể hiện trên Hình 1.19

Hình 1.19: Biểu đồ quan hệ giữa trữ lượng than với yếu tố chiều dày, góc dốc vỉa

Từ biểu đồ trên có thể thấy, nhóm các vỉa có chiều dày 5,0 ÷ 10,0 m, góc dốc lớn hơn 55° chiếm tỷ lệ lớn nhất, khoảng 27,65 %; tiếp theo là nhóm các vỉa có chiều dày 5,0 ÷ 10,0 m, góc dốc 45° ÷ 55° chiếm 21,14 %; nhóm các vỉa có chiều dày 3,5 ÷ 5,0 m, góc dốc 45° ÷ 55° và nhóm các vỉa có chiều dày 3,5 ÷ 5,0 m, góc

45 - 55 48,37%

> 55 51,63%

5,74 0,00

5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00