Giáo trình Cơ sở khai thác Mỏ hầm lò: Phần 1

QuÆng lµ kho¸ng s¶n cã Ých chøa kim lo¹i hay kho¸ng vËt víi khèi l­îng thÝch hîp ®Ó sö dông trong c«ng nghiÖp ë tr×nh ®é ph¸t triÓn kinh tÕ vµ kü thuËt ®­¬ng thêi.. CÇn ph©n biÖt quÆng[r]

vũ đình tiến

cơ sở khai thác mỏ

hầm lò

cơ sở khai thác mỏ

hầm lò

nhà xuất bản aaaaa

hà nội - 2008

vũ đình tiến

nhà xuất bản aaaaa

hà nội - 2008

cơ sở khai thác mỏ

hầm lò

cơ sở khai thác mỏ

hầm lò

Vò §×nh TiÕn

c¬ së khai th¸c má

hÇm lß

nhµ xuÊt b¶n aaaaa - 2008

lời nói đầu

Giáo trình "Cơ sở Khai thác mỏ hầm lò" được biên soạn dựa trên Đề

cương môn học đã được Bộ môn Khai thác Hầm lò thông qua, nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên của các chuyên ngành Máy và thiết bị mỏ, Điện khí hóa mỏ, Tự động hóa mỏ, Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Tuyển khoáng, Trắc địa mỏ, Kinh tế và quản trị doanh nghiệp mỏ, Địa chất thăm dò v.v… thuộc Trường đại học Mỏ-Địa chất

Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã tích cực tham khảo những kinh nghiệm quý báu kinh qua rất nhiều 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 có chọn lọc một số giáo trình tương ứng của nước ngoài, đồng thời cố gắng cập nhật và giới thiệu các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến của ngành mỏ Việt Nam và thế giới

Mặc dù do đặc thù của chuyên ngành khai thác hầm lò, các vấn đề được

đề cập trong cuốn sách này đều rất đa dạng và phức tạp, nhưng chúng tôi cố gắng trình bày một cách đơn giản nhất với mong muốn giúp người đọc có thể

dễ dàng tiếp cận và nắm bắt được những vấn đề đó

Giáo trình này được dùng để giảng dạy cho sinh viên thuộc các chuyên ngành đã nêu trên, nhưng cũng có thể là tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên của các chuyên ngành khác có quan tâm

Chúng tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo của Bộ môn Khai thác Hầm lò, đặc biệt là PGS.TS Đỗ Mạnh Phong và TS Đào Danh Phượng, 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 4 tháng 2 năm 2008

Tác giả

Chương 1

đại cương về khoáng sản có ích

1.1 Sự tạo thành than và đá mỏ

Vỏ trái đất được hình thành từ các lớp đá gốc và đất đá phủ (hình 1) Các lớp đá gốc là các các lớp đá nằm tại vị trí thành tạo và không bị phá hủy Đất đá phủ được hình thành do sự phá hủy các lớp đá gốc, nó có thể nằm tại vị trí thành tạo, cũng có thể bị nước mặt hoặc gió cuốn đi và lắng đọng ở nơi khác So với các lớp đá gốc, đất đá phủ tương đối bở tơi hơn Độ dày của lớp đất

đá phủ có thể tới 100 m hay lớn hơn Tất nhiên, trên mặt đất có những chỗ không có đất đá phủ

Theo nguồn gốc phát sinh, các lớp đá gốc được chia thành đá magma, đá trầm tích và đá biến chất

Đá magma (còn được gọi là đá phún trào) được hình thành trong quá trình nguội dần magma nóng chảy trong vỏ trái đất hoặc trên mặt đất Đó là các loại đá granit, xienit, điorit, bazan v.v…

Đá trầm tích khác với đá magma là có chứa tàn tích của thực vật và động vật Nó được thành tạo do sự lắng cặn dạng cơ học, dạng hóa học hay dạng sinh học ở đáy các đầm, hồ hoặc biển Ban đầu đá trầm tích thường có dạng lớp hay vỉa nằm ngang, dày mỏng khác nhau Nhóm đá này bao gồm: than đá, sa thạch, thạch cao, cát, sỏi, đá vôi …

Đá biến chất được hình thành từ hai loại đá trên, do tác động của nhiệt

độ và áp suất cao mà bị tách lớp, thay đổi cấu tạo và một số tính chất Đó là đá hoa cương, grafit, gơnai …

Giữa các loại đá cần phân biệt khoáng sản có ích và đá thải

Khoáng sản có ích là các loại đá mỏ có thể khai thác từ lòng đất, nhằm phục vụ những nhu cầu khác nhau của loài người Khoáng sản có ích có thể

được sử dụng ở dạng tự nhiên hoặc sau khi đã được chế biến phù hợp

Hình 1

Cấu tạo của vỏ trái đất 1- Đất đá phủ;

2- Các lớp đá gốc;

3- Vỉa than

1

3

2

Đá thải là các loại đá vây bọc quanh khoáng sản có ích hoặc nằm xen giữa nó, tùy theo điều kiện khai thác có thể được lấy ra cùng với khoáng sản, nhưng không được sử dụng

Việc phân chia đá mỏ như trên chỉ là quy ước Nếu lấy đá vôi làm thí dụ thì ai cũng thấy rằng, khi khai thác than, đá vôi được coi là đá thải, nhưng trong những điều kiện khác người ta lại chuyên khai thác đá vôi để phục vụ nhu cầu xây dựng và nhiều lĩnh vực khác

Quá trình tạo thành than đá có thể được mô tả như sau:

Hàng trăm triệu năm về trước, hành tinh của chúng ta còn ở vào thời kỳ khí hậu nóng và ẩm, rất thuận lợi cho việc phát triển các loại thực vật và thế giới động vật, chúng sinh sôi nảy nở tràn lan trong các đầm lầy và đất liền Thời này qua thời khác, mặt đất bị các đại dương xâm lấn do chuyển vận của vỏ trái

đất, ở đáy đại dương sẽ hình thành các lớp đá trầm tích vùi dập thế giới sinh vật phong phú kia Khi ôxy của không khí còn có thể xâm nhập vào khối tàn tích của sinh vật, thì sẽ có quá trình cháy âm ỉ (cháy chậm không có lửa) Đến khi các lớp trầm tích dày dần lên Không khí không thể xâm nhập tiếp tục được nữa, sẽ bắt đầu quá trình phân hủy không có ôxy Từ đó hình thành chất tàn dư rắn có chứa khối lượng lớn cacbon, thành phần chính của than đá

Qua một thời gian dài khác, đến lúc đáy đại dương lại được nâng lên và trở thành đất liền và các hồ, đầm Điều kiện để thế giới sinh vật phát triển lại xuất hiện, quá trình hình thành vỉa than như đã nêu trên sẽ được lặp lại Hiện tượng nâng và hạ đáy đại dương xảy ra nhiều lần, trên nhiều khu vực của vỏ trái

đất Chính vì vậy mà ở những khu vực đó ngày nay có nhiều vỉa than riêng biệt,

được ngăn cách nhau bởi nhiều lớp đá thải

Khu vực tích tụ tự nhiên khoáng sản có ích trong vỏ trái đất được gọi là khoáng sàng khoáng sản có ích

Khoáng sàng có nhiều vỉa than nằm không cách xa nhau và được ngăn cách bằng các lớp đá thải được gọi là cụm vỉa

Phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và các thành phần khác, than được chia thành than nâu, than đá và antraxit

Than nâu chứa 60-70% cacbon và có độ ẩm cao Khả năng sinh nhiệt của nó là 5000-7200 Kcal/kg Khi bảo quản ở ngoài không khí nó bị phong hóa rất nhanh Than nâu được sử dụng như một dạng nhiên liệu, nhiều loại than nâu

được dùng làm nguyên liệu để chế biến nhiều loại sản phẩm hóa học

Than đá chứa 75-87% cacbon, khả năng sinh nhiệt của nó là 7500-9000 Kcal/kg Than đá rắn chắc hơn than nâu, khi bị đập nó sẽ vỡ thành các mảnh vụn rời Than đá có mầu đen

Than đá được dùng trong công nghiệp với nhiều mục đích khác nhau

Đáng quý hơn cả là các loại than cốc Than cốc khác với các loại than đá khác

là khi luyện nó trong các lò chuyên dùng ở nhiệt độ 750-1100oC, không có không khí, sẽ nhận được một sản phẩm kết dính đặc biệt, đó chính là cốc Cốc

được dùng để luyện gang thép trong các nhà máy luyện kim Khi chưng khô các loại than đá có thể lấy được hắc ín và nhiều loại sản phẩm dạng khí Những chất này đều có ý nghĩa lớn trong nền kinh tế quốc dân

Antraxit chứa 87-98% cacbon, có ánh bán kim, mầu đen nhung Antraxit rất rắn chắc, khi cháy có ngọn lửa yếu hoặc hoàn toàn không có lửa, hầu như không sinh khói và không bị kết dính Nó bắt cháy kém hơn than đá và muốn

đốt nó phải có một khối lượng không khí lớn, tức là phải tạo một lực thổi mạnh

1.2 Điều kiện dạng nằm, cấu tạo và tính chất của các vỉa than và đá mỏ

Vỉa là thân địa chất dạng tấm có chứa khoáng sản hoặc đá mỏ trầm tích tương đối đồng chất

Nếu mô hình của một vỉa bị một mặt phẳng ngang cắt qua (hình 2) thì chúng ta sẽ có các yếu tố dạng nằm của vỉa than Hướng của đường giao tuyến giữa vỉa và mặt phẳng ngang (đường AB) được gọi là phương của vỉa, còn bản thân giao tuyến AB được gọi là đường phương

Phương của vỉa được xác định bởi góc phương vị, tức là góc tạo bởi giữa

đường phương và đường vĩ tuyến Tất nhiên đối với vỉa hoàn toàn nằm ngang thì khái niệm "phương" sẽ mất ý nghĩa

Hướng của đường thẳng nằm trong vỉa và vuông góc với đường phương

được gọi là hướng dốc của vỉa Còn đường CD (hình 2) được gọi là đường dốc

Góc tạo bởi giữa mặt vỉa và mặt phẳng ngang (góc α, hình 2) được gọi là góc dốc của vỉa

Dựa vào giá trị của góc dốc, các vỉa than được chia thành bốn nhóm:

- vỉa dốc thoải, khi α = 0  18o;

- vỉa dốc nghiêng, khi α = 18  35o;

- vỉa nghiêng-đứng, khi α = 35  55o;

- vỉa dốc đứng, khi α = 55  90o Rất ít khi gặp các vỉa than nằm ngang (α = 0o)

Các lớp đá nằm trên vỉa than được gọi là vách của vỉa Các lớp đá nằm dưới vỉa than được gọi là trụ của vỉa ở các vỉa than dốc đứng còn có các khái niệm tương ứng là vách treo và vách nằm

Hình 2

Các yếu tố dạng nằm của vỉa than

A

B

C

D vỉa than

Chiều dày của vỉa là khoảng cách giữa vách và trụ của vỉa theo pháp tuyến

Phụ thuộc vào chiều dày, các vỉa than được chia ra thành bốn nhóm:

- vỉa rất mỏng, khi chiều dày nhỏ hơn 0,7 m;

- vỉa mỏng, khi chiều dày từ 0,71 đến 1,2 m;

- vỉa dày trung bình, khi chiều dày từ 1,21 đến 3,5 m;

- vỉa dày, khi chiều dày vượt quá 3,5 m

Trong thực tế có những vỉa than dày tới 15-20 m, đôi khi còn lớn hơn Vỉa than ít khi có cấu tạo đồng chất trên toàn bộ chiều dày Thông thường, một vỉa than là tập hợp nhiều lớp than riêng biệt, khác nhau về độ ánh,

độ kiên cố, khả năng sinh nhiệt và những tính chất khác Đôi khi các lớp than

đó lại bị các lớp đá kẹp ngăn cách (hình 3, a) Chiều dày các lớp đá kẹp thường

từ vài milimét tới vài chục centimét

Trong quá trình khai thác than, các lớp đá kẹp thường bị lấy lẫn cùng với than, chúng làm bẩn và giảm chất lượng của than

Trong các tính chất cơ bản của than cần chú ý tới độ cứng và độ kiên cố

Độ cứng là khả năng chống lại sự đột nhập của các dụng cụ nhọn, thí dụ như đầu búa chèn

Độ kiên cố là khả năng chống lại những dạng phá hủy khác nhau Theo

độ kiên cố người ta phân biệt than mềm yếu, than kiên cố trung bình và than kiên cố Các loại than mềm yếu có thể bị tách dễ dàng ra khỏi vỉa bằng các dụng cụ đơn giản, như cuốc chim, xà beng… Muốn tách phá các loại than kiên

cố trung bình trở lên, cần phải dùng các loại máy chuyên dùng hoặc nhờ chất

nổ

Đá vách và đá trụ của vỉa than thường là sét kết, bột kết, đôi khi là các loại đá kiên cố hơn, như đá vôi và cát kết Những tính chất chính của đá vách và

đá trụ là độ kiên cố, độ ổn định, độ rạn nứt và độ dẻo

Đá vôi và cát kết là các loại đá kiên cố và có mức độ ổn định cao, còn các loại đá sét kết và bột kết có độ ổn định kém hơn và dễ bị phá hủy hơn Nói chung, nếu đá có độ rạn nứt cao thì sẽ có độ ổn định kém

Tất cả các đá mỏ được phân loại theo các tính chất cơ-lý của chúng Bảng phân loại đá mỏ của giáo sư M Prôtôđiacônốp được dùng phổ biến hơn cả

Hình 3

Cấu tạo của vỉa than a- vỉa than phức tạp;

b- vỉa than đơn giản

Trị số đặc trưng độ kiên cố của đá mỏ được gọi là hệ số kiên cố Giáo sư Prôtôđiacônốp tính hệ số kiên cố của các loại đá mỏ theo biểu thức sau

trong đó: f - hệ số kiên cố của đá;

n.t - sức kháng nén tạm thời của đá, KG/cm2

Hệ số kiên cố của các loại đá thay đổi từ 0,3 đến 20 Thí dụ, than đá mềm yếu có sức kháng nén tạm thời là 100 KG/cm2 sẽ có hệ số kiên cố là 1

Các loại đất chảy có hệ số kiên cố f = 0,3; thạch anh và banzan chắc quánh và kiên cố nhất có f = 20 Quặng sắt thường có hệ số kiên cố f = 6-12 Các loại đá vách và trụ của các vỉa than cũng thường có f = 6-12

Dù sao cũng cần hiểu rằng, hệ số kiên cố của đá mỏ theo thang chia của giáo sư Prôtôđiacônốp chỉ là đơn vị quy ước

Phá hủy địa chất là những biến động dạng nằm ban đầu của các vỉa than hay vỉa đá, hoặc là những thay đổi về kích thước chiều dày của chúng

Có hai dạng phá hủy địa chất: xảy ra trong thời kỳ hình thành vỉa và xảy

ra sau khi vỉa đã có từ trước

Dạng phá hủy đầu tiên là các hiện tượng: vỉa bị vát mỏng dần dần hay

đột ngột (hình 4, a), vỉa bị mỏng dần rồi mất hẳn (hình 4, b), vỉa đột tăng chiều dày ở những khu vực nhất định (hình 4, c)

Dạng phá hủy địa chất xảy ra sau khi vỉa đã hình thành là các hiện tượng uốn nếp và đứt gãy

100

σ

f  n.t

Hình 4

Các phá hủy địa chất xảy ra trong thời kỳ hình thành vỉa than

c

100

σ

f  n.t

Hình 5

Các phá hủy địa chất xảy ra sau khi hình thành vỉa than c

a

b

d

f

e

Uốn nếp lồi có đỉnh quay lên phía trên được gọi là bối tà (hình 5, a), uốn nếp lõm có đỉnh quay xuống phía dưới gọi là hướng tà (hình 5, b) Những phần nằm về hai bên đỉnh của uốn nếp được gọi là cánh

Đứt gãy cũng có nhiều dạng: đứt gãy thuận (hình 5, c), đứt gãy nghịch (hình 5, d), đứt gãy ngang (hình 5 ,e), đứt gãy ngang chờm (hình 5, f) và v.v…

Các phá hủy địa chất đều gây trở ngại cho công tác khai thác khoáng sản

có ích

1.3 Các khái niệm về khoáng sàng quặng

Quặng là khoáng sản có ích chứa kim loại hay khoáng vật với khối lượng thích hợp để sử dụng trong công nghiệp ở trình độ phát triển kinh tế và kỹ thuật

đương thời

Cần phân biệt quặng kim loại và phi kim loại

Quặng kim loại là khoáng sản có thể cho lấy ra kim loại đen, kim loại màu, kim loại quý và hiếm, kim loại phóng xạ v.v…

Quặng phi kim loại là khoáng sản có thể cho lấy ra các khoáng vật hóa học, phân bón, vật liệu xây dựng, vật liệu làm đồ gốm, thủy tinh v.v…

Kim loại hay khoáng vật ở trong quặng được gọi là thành phần có ích của quặng Quặng có thể có một hay nhiều thành phần có ích và được gọi là quặng đơn kim, quặng đa kim v.v…

Quặng giầu hay quặng nghèo được đánh giá bằng hàm lượng thành phần

có ích của chúng Hàm lượng thành phần có ích của quặng kim loại đen và màu

được tính bằng phần trăm (%), còn đối với quặng kim loại quý và hiếm thì được tính bằng gam/tấn (g/t)

Cũng dựa vào hàm lượng thành phần có ích, còn cần phải phân biệt khoáng sàng quặng công nghiệp và phi công nghiệp Mốc để phân biệt là hàm lượng công nghiệp tối thiểu Việc quy định hàm lượng công nghiệp tối thiểu chỉ mang ý nghĩa cục bộ và tạm thời, nó sẽ bị thay đổi ở các điều kiện tự nhiên khác nhau và theo sự phát triển trình độ kinh tế-kỹ thuật của con người

các khoáng sàng quặng 1- đất đá phủ; 2- thân quặng; 3- đá kẹp;

4- đá vây bọc

1

4

3

3 3

4

1

Trong thực tế rất ít gặp các khoáng sàng quặng dạng vỉa đồng đều Chúng thường là các thân quặng dạng mạch không đồng đều hoặc dạng khối phức tạp

Mạch quặng thường là các khe nứt trong vỏ trái đất có chứa khoáng sản (hình 6, a) Thân quặng dạng khối có nhiều loại: dạng ổ (hình 6, b), dạng thấu kính (hình 6, c), dạng trục, dạng bướu v.v…

So với khoáng sàng than, khoáng sàng quặng có những đặc điểm địa chất riêng Đó là: các yếu tố dạng nằm (góc dốc, chiều dày) không ổn định; có nhiều phá hủy địa chất; quặng và các loại đá vây bọc thường có độ kiên cố lớn; hàm lượng thành phần có ích trong thân quặng không ổn định; ranh giới cách biệt thân quặng với đá vách và trụ không rõ ràng; kích thước theo phương của khoáng sàng quặng tương đối nhỏ, nhưng kích thước theo độ sâu thì lại lớn và v.v…

Các thân quặng được phân loại theo chiều dày như sau:

- rất mỏng, có chiều dày tới 0,6-0,8 m;

- mỏng, có chiều dày từ 0,6-0,8 đến 3 m;

- dày trung bình, có chiều dày từ 3 đến 6-8 m;

- dày, có chiều dày từ 6-8 đến 15-20 m;

- rất dày, có chiều dày lớn hơn 15-20 m

Theo góc dốc các thân quặng được phân loại giống các vỉa than