TÝnh nhÞp nhµng trong s¶n xuÊt lµ mét yªu cÇu c«ng nghÖ tÊt yÕu cho c«ng t¸c cña xÝ nghiÖp má, nh»m ®¹t ®îc c¸c chØ tiªu kinh tÕ-kü thuËt cao vµ æn ®Þnh... nh©n gia t¨ng øng suÊt lµ sù[r]
Trang 1vũ đình tiến , trần văn thanh
công nghệ khai thác than
hầm lò
hà nội - 2005
Trang 2vũ đình tiến , trần văn thanh
công nghệ khai thác than
hầm lò
hà nội - 2005
Trang 3Vò §×nh TiÕn , TrÇn V¨n Thanh
c«ng nghÖ khai th¸c than
hÇm lß
Hµ Néi - 2005
Trang 4lời nói đầu
Giáo trình "Công nghệ khai thác than hầm lò" được biên soạn dựa trên đề
cương môn học của ngành Khai thác Mỏ đã được Bộ môn Khai thác Hầm lò thông qua
Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã tích cực tham khảo những kinh nghiệm quý báu kinh qua hơn hai mươi năm giảng dạy môn học này của các thày giáo trong bộ môn Khai thác Hầm lò Bên cạnh đó, chúng tôi cũng tham khảo một cách chọn lọc một số giáo trình tương ứng của nước ngoài, với mục đích giới thiệu các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến của thế giới, có triển vọng áp dụng phù hợp với các điều kiện khai thác than hầm lò ở Việt Nam
Giáo trình này nằm trong chuỗi các môn học dùng để giảng dạy cho sinh viên chính ngành Khai thác Mỏ, nhưng cũng có thể là tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên của các chuyên ngành khác có liên quan
GVC KS Vũ Đình Tiến biên soạn các chương I, II, III, IV, VII, VIII, X và
XI GVC TS Trần Văn Thanh biên soạn các chương V, VI, IX, XII và XIII
Chúng tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo của Bộ môn Khai thác Hầm
lò, đặc biệt là PGS TS Đặng Văn Cương và TS Nguyễn Anh Tuấn, những người
đã dành nhiều thời gian và tâm sức để góp ý thiết thực cho bản thảo của giáo trình này
Dù sao, đây vẫn là lần xuất bản đầu tiên, không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp hữu ích của bạn đọc
Hà Nội, ngày 3 tháng 6 năm 2005
Các tác giả
Trang 5phần thứ nhất
khái niệm chung về các quá trình sản xuất trong
khai thác than hầm lò
C hương 1 : Lịch sử và hướng phát triển công nghệ khai thác than hầm lò
1.1 Khái niệm về quy trình công nghệ khai thác than hầm lò
Quy trình công nghệ khai thác là một tập hợp của nhiều khâu công tác, cần phải thực hiện theo một trình tự thời gian và không gian nhất định để lấy được khoáng sản có ích
Quy trình công nghệ khai thác than hầm lò có thể được hiểu theo nghĩa rộng
và theo nghĩa hẹp Theo nghĩa rộng, đó sẽ là tập hợp các quá trình mở vỉa và chuẩn
bị ruộng than, quá trình khấu than trong các gương khai thác, quá trình vận tải than lên mặt đất và hàng loạt các vấn đề khác như sàng tuyển than, thông gió mỏ, thoát nước, cung cấp vật liệu, máy móc thiết bị và năng lượng, các quá trình công nghệ trên mặt bằng công nghiệp và v.v Theo nghĩa hẹp thì đó chỉ là tập hợp các công việc chuẩn bị và khai thác, cần được thực hiện trong một khu khai thác Trong phạm
vi giáo trình này, chủ yếu chúng ta sẽ xem xét những vấn đề trong nghĩa hẹp nói trên
Quy trình công nghệ khai thác than ở lò chợ được chia thành các công tác chính và các công tác phụ Các công tác chính là các khâu tách than khỏi khối nguyên ban đầu, phá vỡ than đến cỡ hạt cần thiết, xúc bốc và vận tải than, chống giữ lò chợ và điều khiển áp lực mỏ Các công tác phụ bao gồm việc di chuyển thiết
bị vận tải theo tiến độ của gương lò chợ, cung cấp vật liệu, máy móc, thiết bị, năng lượng vào lò chợ, thông gió, chống bụi, thoát nước, chiếu sáng, thông tin liên lạc Như vậy, với các dạng công nghệ khai thác than khác nhau, sẽ có các tập hợp các công tác chính và phụ khác nhau, tức là các quy trình công nghệ khai thác than khác nhau
Công nghệ khai thác than hầm lò có thể được chia thành bốn dạng chính Đó
là công nghệ thủ công, công nghệ bán cơ khí hoá, công nghệ cơ khí hoá toàn bộ và công nghệ tự động hoá Trong dạng công nghệ thủ công, hầu hết các khâu công tác chính đều phải thực hiện bằng sức người; còn ở công nghệ bán cơ khí hoá thì máy móc đã làm thay con người ở một số công tác chính và khi ứng dụng công nghệ tự
động hoá, thì có thể loại trừ sự có mặt thường xuyên của con người trong lò chợ
1.2 Các giai đoạn phát triển của công nghệ khai thác than hầm lò
Để thấy rõ lịch sử phát triển công nghệ khai thác than hầm lò trên thế giới từ
đầu thế kỷ XX đến nay, chúng ta phải xem xét các bước phát triển của công nghiệp than ở các nước sản xuất nhiều than và có trình độ công nghiệp tiên tiến trên thế giới, đó là các nước châu Âu, Bắc Mỹ, úc, Trung Quốc Qua đó, có thể thấy những giai đoạn phát triển công nghệ khai thác than hầm lò như sau:
Giai đoạn I - Từ đầu thế kỷ XX đến trước đại chiến thế giới lần thứ hai: Trình độ cơ khí hoá sản xuất còn ở mức thấp, nhiều khâu công nghệ phải thao tác thủ công, nhất là ở các khâu chống lò và điều khiển áp lực mỏ Trong giai đoạn này
Trang 6cũng có chế tạo và cải tiến một số loại máy đánh rạch, máy liên hợp khấu than và
đào lò , nhưng trong lĩnh vực tự động hoá vẫn chưa áp dụng được gì
Giai đoạn II - Từ sau đại chiến thế giới lần thứ hai đến năm 1960: Tiếp tục nghiên cứu và áp dụng cơ khí hoá các quá trình sản xuất, nhưng việc cơ khí hoá chưa đồng bộ, mới chỉ dừng ở từng khâu công tác riêng biệt Trong lĩnh vực tự động hoá đã nghiên cứu thành công các hệ thống điều khiển từ xa một số thiết bị riêng lẻ,
tự động hoá một số thiết bị cố định
Giai đoạn III - Từ 1960 đến 1980: Có những thay đổi căn bản về chất lượng khai thác than hầm lò Chế tạo thành công và áp dụng rộng rãi nhiều loại tổ hợp thiết bị cơ khí hoá toàn bộ việc khấu than, do đó sản lượng và chiều sâu khai thác của các mỏ than tăng lên rõ rệt Công nghệ đào lò cũng được cơ khí hoá toàn bộ đã làm tăng tốc độ đào lò Nhiều nơi đã áp dụng trục tải nhiều cáp ở giếng đứng Việc
tự động hoá cũng dần dần đi vào đồng bộ và có ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất Một số thiết bị lẻ và tổ hợp không thích hợp với chế độ tự động hoá dần dần được thay thế bằng các loại thiết bị mới
Giai đoạn IV - Từ 1980 đến nay: Cùng với sự phát triển vũ bão của nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là sự phát triển mãnh liệt của kỹ thuật điện tử và công nghệ tin học, công nghệ khai thác than hầm lò đang chuyển biến dần về chiều sâu Nhiều dây chuyền sản xuất tự động hoá, do được kiểm soát chặt chẽ, đã hoạt động
ổn định và đem lại hiệu quả cao Quá trình khai thác than đã và đang được gắn liền với việc đảm bảo điều kiện lao động an toàn cho thợ mỏ và bảo vệ môi trường thiên nhiên
1.3 Hướng phát triển của công nghệ khai thác than hầm lò
Xu hướng phát triển của ngành khai thác than hầm lò ở các nước tiên tiến trên thế giới bao gồm:
- Tạo ra trong tương lai một dây chuyền công nghệ liên tục duy nhất, cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá để khai thác và vận chuyển than từ các gương lò chợ
đến toa xe lửa hoặc bunke nhận than của nhà máy tuyển trên mặt đất ;
- Lựa chọn đúng đắn mức độ tự động hoá theo sự hợp lý về kinh tế cho từng
điều kiện cụ thể và theo yêu cầu đảm bảo an toàn lao động đến mức cao nhất ;
- Tập trung hoá việc điều khiển và kiểm tra công tác của các khu vực và thiết bị sản xuất chủ yếu của mỏ hầm lò nhằm nâng cao tính linh hoạt trong việc
điều khiển sản xuất, giảm thời gian chết của thiết bị, giảm số công nhân điều khiển máy móc, thiết bị ;
- Cải tiến hệ thống khai thác nhằm tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho việc cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá ;
- Gắn chặt quá trình khai thác than với nhiệm vụ bảo vệ môi trường để duy trì sự phát triển bền vững
1.4 Tình hình và hướng phát triển của ngành than hầm lò ở Việt Nam
Điều kiện địa chất ở các vùng than nước ta hiện nay có đặc điểm nổi bật là
địa hình đồi núi, thích hợp cho khai thác lộ thiên Do đó, tỷ trọng của sản lượng than khai thác bằng phương pháp hầm lò so với tổng sản lượng than khai thác hàng năm chỉ chiếm khoảng 30-35 %
Trang 7Hiện nay, ngành khai thác than hầm lò Việt Nam còn khá lạc hậu so với các nước tiên tiến Công nghệ khấu than và đất đá ở các gương lò khai thác và gương lò chuẩn bị chủ yếu là thủ công kết hợp với công tác khoan nổ mìn Trong các gương
lò chợ dài các công tác nặng nhọc và tốn thời gian như chống lò, điều khiển áp lực mỏ vẫn phải thao tác thủ công
Tuy nhiên, cho đến nay ngành than hầm lò của nước ta đã cơ khí hoá và bán cơ khí hoá được nhiều khâu công nghệ quan trọng của các mỏ Việc vận tải than trong hầm lò và ngoài mặt bằng đã được cơ khí hoá hoàn toàn, hầu hết các mỏ hầm
lò đã được trang bị đầu tầu điện và goòng 1 đến 3 tấn, hoạt động trên cỡ đường 600
đến 900 mm Nhiều mỏ đã lắp đặt thành công hệ thống băng tải bán tự động và tự
động để vận chuyển than trong giếng nghiêng và trên mặt bằng Nhiều loại máy và thiết bị cố định chuyên dùng đã được cơ khí hoá và tự động hoá
Trong những năm 70 của thế kỷ trước ở mỏ Vàng Danh đã đưa máy liên hợp
và vì chống đơn bằng thép vào khai thác thí điểm trong lò chợ, song do nhiều nguyên nhân khách quan cuộc thử nghiệm đó chưa đạt tới kết quả mong muốn Vài năm gần đây, nhiều mỏ hầm lò đã đưa vào áp dụng thành công vì chống thuỷ lực
đơn và vì chống tổ hợp kiểu giá thuỷ lực di động trong lò chợ, các chỉ tiêu kinh
tế-kỹ thuật của lò chợ đã được cải thiện đáng kể Đặc biệt, tại mỏ Khe Chàm đã áp dụng thành công phương pháp khấu than bằng máy liên hợp, sản lượng của lò chợ
đã được nâng lên hơn hai lần so với phương pháp khoan nổ mìn
Trong tương lai gần, cùng với việc nâng cao tổng sản lượng khai thác than, tỷ trọng sản lượng khai thác hầm lò sẽ gia tăng và có thể lên tới 50% Do đó, muốn
đáp ứng được yêu cầu về sản lượng và cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, ngành khai thác than hầm lò cần được phát triển theo các hướng sau đây :
- Cải tạo những mỏ cũ và xây dựng một số mỏ mới theo hướng tăng sản lượng và tập trung hoá sản xuất ;
- Ưu tiên áp dụng các hệ thống khai thác có gương lò chợ dài cùng với việc
đầu tư hợp lý để cơ khí hoá các khâu công tác chính trong lò chợ Nghiên cứu và dần dần áp dụng công nghệ bán cơ khí hoá và cơ khí hoá vào các gương lò ngắn ;
- Nâng cao tốc độ đào các đường lò mở vỉa và chuẩn bị trên cơ sở áp dụng các loại máy và thiết bị đào lò có năng suất cao và hoàn thiện việc tổ chức công tác
đào lò ;
- Nâng cao năng lực vận tải trong hầm lò bằng cách thay goòng 1 tấn với cỡ
đường 600 mm bằng goòng 3 đến 5 tấn với cỡ đường 900 mm, chú ý phát triển các phương tiện vận tải liên tục, chủ yếu là các tuyến băng tải ;
- Gắn liền sự phát triển khai thác than với công tác bảo vệ môi trường thiên nhiên
khai thác than hầm lò 2.1 Tăng cường độ và tập trung hoá sản xuất
Tăng cường độ sản xuất ở mỏ là toàn bộ các biện pháp kỹ thuật và tổ chức nhằm nâng cao sản lượng trong một đơn vị thời gian của lò chợ, của tầng, của khoảnh, của cánh hay của vỉa trong ruộng mỏ
Trang 8Việc tăng cường độ khai thác cho phép cải thiện các chỉ tiêu chính của các công tác mỏ, mà trước hết là các chỉ tiêu về năng suất lao động của công nhân và giá thành khai thác
Không nên nhầm lẫn hai khái niệm "tăng cường độ" và "tập trung hoá" trong sản xuất Công tác mỏ có thể tiến hành với cường độ cao, nhưng không tập trung, tức là tiến hành đồng thời trên một số vỉa, một số cánh, một số tầng hay khoảnh và trong nhiều lò chợ
Tập trung hoá sản xuất ở mỏ là tập trung mức độ khai thác khoáng sản trong các xí nghiệp riêng biệt hay trong các khâu của chúng về mặt thời gian (giảm số ca sản xuất và số giờ làm việc) và về mặt không gian (giảm số đơn vị sản xuất: giảm
số lò chợ, giảm số khu khai thác )
Các chỉ tiêu cơ bản của tập trung hoá là sản lượng của mỏ, sản lượng của lò chợ và chỉ tiêu tập trung hoá về mặt không gian
Cường độ khấu than được tính theo công thức:
ik =
lc
L A
trong đó: A - Sản lượng của mỏ trong một đơn vị thời gian, tấn;
Llc - Tổng chiều dài trung bình của các gương lò chợ hoạt động trong thời gian đó, m
Cường độ vận tải được tính theo công thức:
ivt =
vt
L A
trong đó: Lvt - Tổng chiều dài hoạt động trung bình của các lò vận tải
Chỉ tiêu mức độ tập trung về không gian của các công tác mỏ có thể được tính theo công thức:
itk=
vt
lc
L L
Giữa tập trung hoá và tăng cường độ sản xuất có quan hệ như sau: việc tăng cường độ khai thác, tức là tăng sản lượng trong một đơn vị thời gian trong khi các
điều kiện khác gần như nhau, sẽ đưa đến nâng cao sự tập trung Do đó, việc tăng cường độ có thể xem như là một biện pháp để đạt được sự tập trung hoá
Việc tăng cường độ và tập trung hoá có thể được thực hiện bằng các biện pháp sau: tạo nên kỹ thuật và công nghệ mới có hiệu quả hơn; sử dụng tốt hơn các máy móc, thiết bị khai thác và vận tải hiện có; giảm bớt sự ảnh hưởng của các yếu
tố địa chất; nâng cao độ tin cậy và độ bền của các loại máy và thiết bị hiện có; cải tiến tổ chức lao động
2.2 Tính nhịp nhàng và liên tục
Tính nhịp nhàng trong sản xuất là một yêu cầu công nghệ tất yếu cho công tác của xí nghiệp mỏ, nhằm đạt được các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật cao và ổn định Tính nhịp nhàng trong công tác của mỏ hầm lò nói chung và của từng khâu công nghệ nói riêng là sự tuân thủ nghiêm túc các chế độ khai thác, vận hành đã định trước trong một khoảng thời gian nhất định, để hoàn thành nhiệm vụ sản xuất
Trang 9Tính nhịp nhàng trong khi hoàn thành các quy trình sản xuất cho phép loại trừ các loại gián đoạn trong công tác, vì không đáp ứng được việc cung cấp vật liệu
và phụ tùng thay thế; việc tiến hành sửa chữa thiết bị theo đúng thời hạn quy định sẽ loại bỏ các sự cố, cũng như sự mất ổn định trong lúc vận hành và do đó nâng cao tính an toàn trong công tác Tính an toàn càng được nâng cao khi tăng cường độ và tập trung hoá sản xuất
Giữa phương tiện cơ khí hoá mới và hình thức tổ chức lao động mới có một mối liên hệ hết sức chặt chẽ Thí dụ, công nghệ khấu than thủ công, cũng như công nghệ khấu than bán cơ khí hoá thích hợp với hình thức tổ chức lao động theo chu
kỳ, tức là các quá trình sản xuất của việc khấu than được tiến hành nối tiếp với các quá trình phụ phi sản xuất Đối với công nghệ cơ khí hoá toàn bộ thì lại cần chuyển sang hình thức tổ chức lao động theo dây chuyền liên tục Hình thức này đặc trưng bằng sự phối hợp chặt chẽ về thời gian tất cả các quá trình sản xuất chính và phụ
Vì vậy, tính nhịp nhàng và liên tục là điều kiện thiết yếu để thực hiện cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá sản xuất ở mỏ
Trong khai thác than, nguyên tắc cơ bản của phương pháp liên tục (tính liên tục của việc khấu than ở gương lò chợ) có thể biểu thị bằng hệ số liên tục:
klt =
ck
k
T T
trong đó : Tk - Thời gian khấu than trong một chu kỳ;
Tck - Thời gian của một chu kỳ lò chợ
2.3 Tính ít công đoạn trong quá trình sản xuất
Một trong các yêu cầu cơ bản đối với công nghệ khai thác than hợp lý là giảm số bước công nghệ, mà chủ yếu là nhờ sự thay đổi về chất của các đặc điểm công nghệ khai thác than
ở các sơ đồ công nghệ phức tạp, có nhiều công đoạn thì phải dùng nhiều loại máy móc, thiết bị và dụng cụ khác nhau, lại cần có những công nhân lành nghề, cần nhiều quá trình và công đoạn phi sản xuất, khó phối hợp một cách rõ ràng để hoàn thành các quá trình và công đoạn Từ đó thường dẫn đến sự ngừng trệ trong sản xuất
và gây trở ngại cho việc tổ chức lao động theo phương pháp dây chuyền liên tục
Do đó, công nghệ hoàn thiện phải dựa trên cơ sở sơ đồ công nghệ có ít quá trình và công đoạn nhất và ít những chi phí sản xuất Ưu điểm của sơ đồ công nghệ
ít công đoạn là: đầu tư cơ bản để mua thiết bị ít, số người làm việc trong dây chuyền
ít, dễ tổ chức thực hiện các công đoạn của dây chuyền phối hợp về thời gian, cải thiện được điều kiện an toàn lao động, tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc tự động hoá dây chuyền công nghệ
2.4 Tính linh hoạt
Tính linh hoạt của dây chuyền công nghệ là khả năng thích ứng của nó với
sự thay đổi của các điều kiện khách quan Các điều kiện tự nhiên của hoạt động khai thác mỏ luôn luôn biến động, thí dụ chiều dày, góc dốc của các vỉa than, lượng
đá kẹp trong vỉa, tính chất của đá vách và đá trụ v.v Do đó, tính linh hoạt là một yêu cầu không thể thiếu đối với dây chuyền công nghệ khai thác mỏ, để đảm bảo nó hoạt động ổn định và có hiệu quả
Trang 10Bên cạnh sự linh hoạt, thích ứng với điều kiện tự nhiên, dây chuyền công nghệ còn phải linh hoạt với những sự thay đổi của nhu cầu sản xuất Thí dụ: có khả năng gia tăng cường độ khai thác; có khả năng thay đổi tỷ lệ than củ, than cám; có khả năng khấu chọn để giảm độ tro v.v
2.5 Tính an toàn
Cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá sản xuất chẳng những loại bỏ lao động thủ công nặng nhọc, mà còn đảm bảo điều kiện vệ sinh công nghiệp tốt và hoàn toàn an toàn cho người trực tiếp làm việc trong mỏ
An toàn lao động khi cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá khai thác than đạt
được trước hết là do có thể loại trừ một phần, hoặc toàn bộ sự có mặt của con người
ở chỗ trực tiếp sản xuất của các quy trình công nghệ chính và phụ Mặt khác, cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá sản xuất đảm bảo sự kiểm tra các hoạt động của máy móc và thiết bị một cách rõ ràng và tin cậy, đồng thời đảm bảo giữ đúng chế độ vận hành tối ưu các thiết bị, do đó loại trừ được các sự cố, loại trừ được khả năng mất ổn
định và càng tạo điều kiện an toàn hơn cho sản xuất ở mỏ
2.6 Tính kinh tế
Tính kinh tế của dây chuyền công nghệ được đánh giá bằng năng suất lao
động của công nhân (trong lò chợ, ở lò chuẩn bị, trong khu khai thác và trong toàn mỏ), giá thành khai thác khoáng sản, vốn đầu tư cơ bản cần thiết và thời hạn thu hồi vốn
Rõ ràng cơ khí hoá và tự động hoá sản xuất sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao vì đảm bảo năng suất lao động cao và hạ giá thành sản phẩm
và đá mỏ
3.1 Sự dịch chuyển của địa tầng khi khai thác than
Các quá trình khai thác than gây ra sự biến dạng của đá vách Sự biến dạng
có thể biểu hiện ở dạng dịch chuyển của đá mà không bị phá huỷ, cũng có thể ở dạng nứt nẻ và đứt gẫy Với các kích thước lớn của khoảng trống đã khai thác, quá trình dịch chuyển phát triển tới mặt đất Ban đầu, các lớp đá nằm ngay trên vỉa than
bị phá huỷ, sau đó xảy ra sự đứt gẫy của các lớp đá vách nằm trên theo mức độ phát triển của công tác khấu than
Theo hướng từ khoảng trống đã khai thác lên phía trên, trong địa tầng có thể phân biệt ba vùng, đặc trưng các mức độ phá huỷ của đá mỏ khác nhau: sập đổ, uốn võng cùng với sự rạn nứt và uốn dẻo mà không bị phá huỷ
Trong vùng sập đổ, sự dịch chuyển của các tảng và khối đá rời rạc xảy ra theo từng chu kỳ, cùng với tiến độ của gương lò chợ Với diện bóc lộ lớn, chiều cao của vùng này đạt 24 lần chiều dày của vỉa Khi điều khiển đá vách bằng phương pháp chèn lò toàn phần, thì có thể không xuất hiện vùng sập đổ của đá Đồng thời với quá trình dịch chuyển của đá, ứng suất trong địa tầng bị phân bố lại, xuất hiện vùng ứng suất cao (áp lực tựa) và vùng ứng suất thấp (áp lực suy giảm) Nguyên