Nghiên cứu lựa chọn CNKT và tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dầy trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực uông bí quảng ninh (tt)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐÀO TRỌNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC CHO CÁC VỈA DẦY TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG TẠI CÁC MỎ THA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐÀO TRỌNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC CHO CÁC VỈA DẦY TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG TẠI CÁC MỎ THAN HẦM LÒ KHU VỰC UÔNG BÍ - QUẢNG NINH

Ngành: Khai thác mỏ

Mã số: 9520603

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội- 2017

Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Đỗ Mạnh Phong

2 TS Trương Đức Dư

Phản biện 1: GS TSKH Lê Như Hùng

Phản biện 2: TS Phùng Quốc Huy

Phản biện 3: TS Trần Minh Nguyên

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp

Trường họp tại Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi … giờ … ngày … tháng … năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc Gia, Hà Nội

- Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng chiếm tỷ trọng không nhỏ trong tổng trữ lượng bể than Đông Bắc (Quảng Ninh), khoảng 5 ÷ 8%, trong đó tập trung ở vùng than Uông Bí với tổng trữ lượng khoảng 54,6 triệu tấn Hàng năm, sản lượng khai thác từ đối tượng vỉa dày trung bình, dốc đứng chiếm khoảng 7 ÷ 8 tổng sản lượng

than của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV)

Hiện nay, để khai thác các vỉa than dày trung bình, dốc đứng, các

mỏ hầm lò chủ yếu vẫn áp dụng các CNKT thủ công như các CNKT dạng buồng; CNKT lò dọc vỉa phân tầng Các CNKT này có hiệu quả chưa cao, sản lượng và NSLĐ thấp, chi phí khai thác lớn và đặc biệt là

tỷ lệ tổn thất cao (30 ÷ 40%) Những năm gần đây, một số mỏ vùng Uông Bí đã đưa vào áp dụng thử nghiệm các CNKT tiên tiến như: CNKT CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH, HTKT lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY đã bước đầu khẳng định tính ưu việt hơn hẳn các CNKT thủ công trong cùng điều kiện, qua đó mở ra triển vọng mở rộng áp dụng Tuy nhiên, quá trình đưa vào áp dụng chưa lâu, cần tiến hành theo dõi, đánh giá, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của HTKT nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả áp dụng công nghệ

Xuất phát từ từ thực tế nêu trên, cần thiết phải thực hiện “Nghiên cứu lựa chọn CNKT và tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dầy trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh” nhằm nâng cao sản lượng khai thác, NSLĐ, mức độ an

toàn lao động và giảm tổn thất trong khai tháccác vỉa than dày trung bình, dốc đứng

2 Mục tiêu của đề tài

Lựa chọn được CNKThợp lý và tối ưu hóa các thông số của HTKT các vỉa dày trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - QN, nhằm nâng cao mức độ an toàn, sản lượng và NSLĐ trong khai thác than HL

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tàiluận án là CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng.Phạm vi nghiên cứu là của đề tàicác vỉa than dày

trung bình, dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ các vỉa than dày trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh

- Phân tích, đánh giá, lựa chọn được CNKT phù hợp điều kiện các vỉa than dày trung bình, dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông

- Phương pháp tổng hợp, đánh giá tài liệu;

- Phương pháp khảo sát, đánh giá điều kiện địa chất;

- Phương pháp thống kê, phân tích, so sánh;

- Phương pháp tính toán giải tích;

- Phương pháp mô hình toán - kinh tế

6 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài:Góp phần xây dựng điều kiện áp dụng một số loại hình CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng; Xây dựng được phương pháp luận, giải thuật bài toán tối ưu hóa các thông số

“chiều cao tầng khai thác”, “chiều dài theo phương cột khai thác” trong CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY 6.2 Giá trị thực tiễn của đề tài:Đề xuất được các CNKT hợp lý cho điều kiện các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh; Tối ưu hóa các thông số HTKT giúp nâng cao hiệu quả áp dụng CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY trong điều kiện vỉa dày trung bình, dốc đứng tại các mỏ hầm lò vùng Uông Bí - Quảng Ninh

7 Những điểm mới của luận án

7.1 Xây dựng được điều kiện áp dụng một số loại hình CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng

7.2 Xây dựng phương pháp tối ưu hóa các thông số của HTKT các vỉa dày trung bình, dốc đứng

7.3 Thiết kế hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY cho vỉa 9b khu Tràng Khê, Công ty Than Hồng Thái với các thông số tối ưu

8 Luận điểm khoa học

8.1 Đề xuất lựa chọn CNKT hợp lý theo nguyên tắc ưu tiên áp dụng CNKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY; CNKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng

bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH

8.2 Trong CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY:Chiều cao tầng tối ưu tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa than, chi phí đào, xén lò và tỷ lệ nghịch với chi phí thiết bị; Chiều dài theo phương cột khai thác tối ưu tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa than, chi phí đào, xén lò; và tỷ lệ nghịch với chiều dày vỉa than, chi phí thiết bị

8.3 Trong điều kiện vỉa 9b khu Tràng Khê, chiều cao tầng khai

thác tối ưu khoảng H t = 75 ÷ 80 m, chiều dài theo phương cột khai thác

tối ưu khoảng L p = 650 ÷ 700 m

9 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị,

126 trang, bao gồm 28 bảng biểu và 28 hình vẽ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG KHAI THÁC

VÀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG VÀ CÔNG TÁC NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA

CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC

1.1 Tổng quan về HTKT các vỉa dày TB, dốc đứng trên thế giới

1.1.1.HTKT chia cột theo hướng dốc, sử dụng giàn chống cứng

Các thông số cơ bản của HTKT: chiều rộng cột từ 20 40 m, chiều dài theo hướng dốc từ 100  140 m, chiều rộng trụ bảo vệ giữa các thượng cột từ 1,5 ÷ 3,5 m

1.1.2 HTKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp giàn chống tự hành kết hợp máy bào than

Các thông số cơ bản của HTKT: chiều rộng cột khai thác (theo đường phương) khoảng 40 ÷ 60 m, chiều dài cột khai thác (theo hướng dốc vỉa) phụ thuộc vào chiều cao tầng khai thác, từ 100 ÷ 300 m

1.1.3 HTKT cột dài theo phương, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợpgiàn chống

tự hành kết hợp máy bào hoặc combai khấu than

Các thông số cơ bản của HTKT gồm: chiều dài lò chợ khoảng 120 m, chiều dài theo phương của cột khai thác phụ thuộc vào điều kiện vỉa than, thường không nhỏ hơn 300 m

1.1.4 HTKT dạng buồng sử dụng lỗ khoan dài, đường kính lớn

Khu vực KT chuẩn bị bởi các lò dọc vỉa phân tầng cách nhau 20 ÷ 30 m

1.1.5 Các CNKT khấu than bằng máy cưa than

KVKT được chia thành các phân tầng chiều dài theo hướng dốc từ 40 ÷ 80 m KVKT được chuẩn bị bằng các lò dọc vỉa phân tầng cách nhau 20 ÷ 50 m

đề giảm tổn thất than Tuy nhiên, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt được khá thấp, công nghệ gặp nhiều khó khăn khi vỉa than có độ biến động lớn chiều dày, góc dốc, than mềm yếu

1.2.5 HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ chia bậc chân khay, điều khiển vách bằng chèn lò kiểu Kakuchi tại mỏ Mạo Khê

Năm 2006, Viện KHCN Mỏ đã phối hợp với các chuyên gia Nhật Bản

và Công ty than Mạo Khê nghiên cứu áp dụng thử nghiệm HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ chia bậc chân khay, điều khiển đá vách bằng phương pháp chèn lò toàn phần theo kiểu Kakuchi của Nhật Bản

1.2.6 HTKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH

Áp dụng 2ANSH tại Hồng Thái cũng tồn tại hạn chế như tại Mạo Khê,

đó là chỉ sử dụng một dây chuyền, dẫn đến thời gian chuyển diện lâu, trong thời gian đó sản lượng đạt được thấp

1.2.7 HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY

Giàn chống mềm ZRY được chế tạo với nhiều mã hiệu khác nhau tương ứng với từng miền chiều dày vỉa Kết quả áp dụng thử nghiệm thành công công nghệ vỉa 9b, khu Tràng Khê II, Công ty than Hồng Thái

1.3 Tổng quan về công tác nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của

hệ thống khai thác vỉa dày trung bình, dốc đứng

1.3.1 Tổng quan về các phương pháp tối ưu hóa trong ngành mỏ

Việc tìm giải pháp tối ưu cho một vấn đề nào đó chiếm một vai trò hết sức quan trọng Phương án tối ưu là phương án hợp lý nhất, tốt nhất, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, nguồn lực mà lại cho hiệu quả cao Để giải các bài toán tối ưu hóa các tham số của công nghệ khai thác mỏ thường áp dụng các phương pháp: Phương pháp tiếp nhận các lời giải phức tạp; Phương pháp giải tích (một hoặc hai biến); Phương pháp phương án; Phương pháp mô hình toán kinh tế

1.3.2 Tổng quan các kết quả nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của hệ thống khai thác vỉa dày trung bình, dốc đứng

Ở trong nước có các công trình như sau:

1) Đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu khả năng phát triển công nghệ khai thác vỉa than độ dốc lớn theo hướng áp dụng các giàn chống (không phân

mảng, giàn chống có đế trượt, giá thuỷ lực di động) và phương pháp nổ mìn trong lỗ khoan dài đường kính lớn” do Viện KHCN Mỏ chủ trì thực hiện năm 2004, ThS Trần Tuấn Ngạn chủ nhiệm đề tài

2) Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu áp dụng công nghệ khai thác chèn lò phục

vụ công tác điều khiển đá vách và bảo vệ các đối tượng công trình bề mặt trong điều kiện các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh” do Viện KHCN

Mỏ chủ trì thực hiện năm 2006, TS.Nguyễn Anh Tuấn chủ nhiệm đề tài 3) Đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chiều cao phân tầng trong sơ đồ công nghệ khai thác vỉa dốc tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh” do Viện KHCN Mỏ chủ trì thực hiện năm 2009, TS Nhữ Việt Tuấn chủ nhiệm đề tài

4) Đề tài cấp Bộ “Đánh giá hiệu quả và đề xuất hướng phát triển áp dụng công nghệ cơ giới hoá vỉa dốc mỏng bằng giàn chống tự hành 2ANSH tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh” do Viện KHCN Mỏ chủ trì thực hiện năm 2009, TS Nguyễn Anh Tuấn chủ nhiệm đề tài

1.4 Kết luận chương 1

Luận án đã tổng quan các HTKT vỉa than dày trung bình, dốc đứng ở trong và ngoài nước Kết quả cho thấy, trên thế giới, các HTKT vỉa than dày trung bình, dốc đứng đã được nghiên cứu phát triển rất đa dạng, đa phần có mức độ CGH tương đối cao ít phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp vùng Quảng Ninh

Ở trong nước, một số công trình nghiên cứu đã đề cập và hoàn thiện các thông số của HTKT vỉa dày trung bình, dốc đứng cho một vài loại hình CNKT Tuy nhiên, đặc điểm chung của các kết quả nghiên cứu nói trên là đều tiến hành tối ưu hóa các thông số của CNKT theo phương pháp phương án, hoặc lựa chọn dựa trên kinh nghiệm thực tiễn Do đó, phương pháp luận hoặc kết quả nghiên cứu thường chỉ áp dụng được với một số trường hợp cụ thể, khó có khả năng khái quát để sử dụng cho bài toán công nghệ khác, hoặc điều kiện khác

Xuất phát từ thực tế nêu trên, luận án xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu gồm:

- Nghiên cứu lựa chọn CNKT phù hợp điều kiện địa chất - kỹ thuật

mỏ các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh;

- Xây dựng phương pháp tối ưu hóa các thông số của HTKT theo công nghệ được lựa chọn

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HTKH VÀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HỢP LÝ CHO CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH, DỐC ĐỨNG VÙNG UÔNG BÍ - QUẢNG NINH 2.1 Đánh giá đặc điểm địa chất - kỹ thuật mỏ và tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí

2.1.1 Đặc điểm địa tầng

Đặc điểm chung của địa tầng trầm tích chứa than vùng Uông Bí, Quảng Ninh gồm nhiều biến thể bởi các kiểu kiến trúc đặc biệt như dạng ẩn tinh, lấp đầy, cơ sở, biến tinh

2.1.2 Đặc điểm địa chất công trình

Tuy cùng một loại đá, nhưng các đặc trưng tính chất, trạng thái cũng rất khác nhau, mức độ biến thiên lớn, nên trong quá trình tổng hợp tài liệu chuyên đề đã lựa chọn những nét đặc trưng bằng phương pháp xác suất thống kê

2.1.3 Đặc điểm địa chất thủy văn

Đặc điểm địa chất thủy văn chính của vùng Uông Bí, Quảng Ninh là nước trong trầm tích chứa than có 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

2.1.4 Đặc điểm khí mỏ, cháy nội sinh

Qua nghiên cứu, phân tích, nguyên nhân xảy ra cháy là do cháy nội sinh,

do vỉa than có tính chất tự cháy

2.1.5 Tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông

Bí tại bảng 2.1

Bảng 2.1 TH trữ lượng các vỉa than dày TB, dốc đứng vùng Uông Bí

2 Yếu tố cấu tạo vỉa

3 Tính chất cơ lý của đá vách và trụ vỉa

4 Hệ số kiên cố của than

5 Mức độ phá huỷ kiến tạo vỉa than

2.2.2 Xây dựng điều kiện áp dụng các loại hình CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng bảng 2.2

Bảng 2.2 Điều kiện áp dụng các HTKTdạng buồng

Áp dụng để khai thác tận thu các khu vực có trữ lượng lớn

2 Điều kiện áp dụng HTKT lò dọc vỉa phân tầng xem bảng 2.3

Bảng 2.3 Điều kiện áp dụng HTKT lò dọc vỉa phân tầng

giữ gương khấu

Giá thủy lực di động loại XDY-1T2/LY của Trung Quốc hoặc của Việt Nam sản xuất

3 Điều kiện áp dụng HTKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng

bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH xem bảng 2.4

Bảng 2.4 Điều kiện áp dụng HTKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng

bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH

hưởng của nước mặt cũng như nước ngầm

4 Điều kiện áp dụng HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY xem bảng 2.5

Bảng 2.5 Điều kiện áp dụng HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên

chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY

TT Một số yếu tố Thông số - Điều kiện

nước mặt cũng như nước ngầm

2.3 Phân tích, đánh giá lựa chọn HTKT và CNKT phù hợp cho các vỉa dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí

Luận án tiến hành phân tích, so sánh ưu nhược điểm của các HTKT cho điều kiện vỉa trung bình, đốc đứng với các công nghệ khai thác (Lò dọc vỉa phân tầng, các CNKT dạng buồng, CNKT lò chợ 2ANSH, giàn mềm kiểm ZRY) đồng thời so sánh một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản của các HTKT này với nhau từ đó đánh giá lựa chọn một số loại hình HTKT phù hợp với điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ vùng Quảng Ninh như sau:

- Các HTKT dạng buồng - thượng cho các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật đạt được còn hạn chế

- HTKT buồng - lò thượng chéo chỉ phù hợp áp dụng tạm thời nhằm đảm bảo nhu cầu sản lượng hàng năm theo kế hoạch của mỏ

- HTKT lò dọc vỉa phân tầng cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, mức độ kiểm soát an toàn tốt hơn các HTKT dạng buồng Tuy nhiên các chỉ tiêu KTKT thậm chí còn thấp hơn, tổn thất than cao, chi phí gỗ lớn

- HTKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH là loại hình công nghệ tiên tiến nhất, nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các loại hình CNKT thủ công Tuy nhiên, điều kiện áp dụng CNKT này đòi hỏi rất khắt khe

-HTKT lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY có những ưu điểm giống như sơ đồ CNKT chống giữ bằng giàn mềm ở

mỏ Vàng Danh trước đây Ngoài ra, do sử dụng loại giàn mềm ZRY

có nhiều cải tiến so với giàn mềm trước đây nên có thể khắc phục được những hạn chế của sơ đồ công nghệ chống giữ bằng giàn mềm

ở mỏ Vàng Danh

2.4 Kết luận chương 2

Trữ lượng nằm trong miền chiều dày vỉa từ 1,21 ÷ 2,2 m khoảng 17,2 triệu tấn (chiếm 31,5%), trong miền chiều dày từ 2,21 ÷ 3,5 m khoảng 37,4 triệu tấn (chiếm 68,5%)

Luận án đề xuất lựa chọn HTKT vùng Uông Bí như sau:

- Ưu tiên áp dụng HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY cho những khu vực có điều kiện phù hợp

- Áp dụng HTKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH cho những khu vực có điều kiện thuận lợi (vỉa than có chiều dày từ 1,2 ÷ 2,2 m, ít biến động về chiều dày và góc dốc;cấu tạo vỉa đơn giản; đá vách, đá trụ ổn định trung bình trở lên; trữ lượng tập trung; định hướng áp dụng tại vùng Mạo Khê, Hồng Thái, Uông Bí)

- Áp dụng các HTKT dạng buồng, HTKT lò dọc vỉa phân tầng để khai thác tận thu các khu vực nhỏ lẻ, phân tán hoặc các điều kiện vỉa biến động phức tạp, phân tán, khó tập trung hóa sản xuất

CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HOÁ CÁC THÔNG SỐ CỦA HTKT LÒ CHỢ XIÊN CHÉO CHỐNG GIỮ BẰNG GIÀN MỀM ZRY CHO CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH, DỐC ĐỨNG

3.1 Lựa chọn các thông số cần tối ưu hóa củaHTKT vỉa dày trung bình, dốc đứng

3.1.1 Các thông số cơ bản của các HTKT vỉa dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh

1 Các thông số CB của HTKT buồng - thượng chéo xem bảng 3.1

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của HTKT buồng - thượng chéo

3

Khoảng cách giữa các thượng chéo