TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÙNG CẨM PHẢ- QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÙI ĐÌNH THANH TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÙNG CẨM PHẢ- QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ N

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BÙI ĐÌNH THANH

TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI

VÙNG CẨM PHẢ- QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BÙI ĐÌNH THANH

TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI

VÙNG CẨM PHẢ- QUẢNG NINH

Ngành: Khai thác mỏ

Mã số: 62.52.06.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TSKH LÊ NHƯ HÙNG

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Bùi Đình Thanh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC 5 1.1 Hiện trạng áp dụng công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải tại vùng than quảng ninh 5 1.2 Kinh nghiệm áp dụng công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải trên thế giới 19 1.3 Tổng quan các kết quả nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải 22 1.4 Kết luận, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 32 CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT CÁC SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÙNG CẨM PHẢ

- QUẢNG NINH 35 2.1 Đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất- kỹ thuật mỏ và tổng hợp trữ lượng các vỉa dày, dốc thoải vùng cẩm phả- quảng ninh 35 2.2 Đề xuất một số công nghệ khai thác phù hợp điều kiện vỉa dày, dốc thoải vùng cẩm phả- quảng ninh 44 2.3 Đề xuất đồng bộ thiết bị cơ giới hóa khai thác vỉa dày thoải 51 2.4 Kết luận 58

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI

VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH 60

3.1 Nghiên cứu xác định các tham số cần tối ưu hóa của sơ đồ công nghệ khai thác 60

3.2 Xây dựng phương pháp tổng quát giải quyết bài toán tối ưu hóa các tham số của sơ đồ công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải 72

3.3 Xây dựng phương pháp tính toán chi phí sản xuất than dựa trên các tham số của sơ đồ công nghệ khai thác 75

3.3 Kết luận 82

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CƠ GIỚI HÓA KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI TẠI MỎ THAN KHE CHÀM III 84

4.1 Xây dựng các điều kiện tính toán 85

4.2 Tối ưu hóa chiều dài lò chợ khi biết trước chiều dài cột khai thác và chiều cao khấu gương 101

4.3 Tối ưu hóa chiều dài cột khai thác khi biết trước chiều dài lò chợ và chiều cao khấu gương 103

4.4 Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao khấu gương và chi phí sản xuất khi biết trước các kích thước lò chợ 106

4.5 Tối ưu hóa các tham số của lò chợ cơ giới hóa theo yếu tố chi phí sản xuất nhỏ nhất 107

4.6 Kết luận 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

PHỤ LỤC 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ZHF Giá thủy lực di động kiểu ZHF

LAC Fast Lagrangian Analyis of Continua

UDEC The Universal Distinct Element Code

GTLDĐ Giá thủy lực di động

XDY Giá thủy lực di động kiểu XDY

VINAALTA Giàn chống tự hành kiểu VINAALTA

2ANSH Giàn chống tự hành kiểu 2ANSH

QCVN01:2011/BCT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai

thác than hầm

HTKTCDTP Hệ thống khai thác cột dài theo phương

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống khai thác cột dài theo phương, khấu lớp trụ hạ trần than nóc 9

Hình 1.2 Mặt cắt gương lò chợ theo các loại vật liệu chống giữ 9

Hình 1.3 Giá thủy lực di động XDY-1T2/LY 10

Hình 1.4 Giá thủy lực di động có xích ZH1800/16/24ZL 10

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ khai thác cơ giới hóa đồng bộ sử dụng dàn tự hành Vinaalta, khấu than lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc 12

Hình 1.6 Lò chợ cơ giới hóa đồng bộ tại Công ty than Nam Mẫu 13

Hình 1.7 Công nghệ khai thác chia lớp nghiêng có lớp đệm nhân tạo 15

Hình 1.8 Hệ thống khai thác chia lớp nghiêng - hạ trần 18

Hình 1.9 Sơ đồ CNKT CGH chia lớp nghiêng, hạ trần thu hồi lớp giữa 20

Hình 1.10 Sơ đồ CNKT chia lớp nghiêng với chèn lò toàn phần 20

Hình 1.11 Sơ đồ CNKT cột dài theo phương, CGH khấu than lớp trụ hạ trần thu hồi than nóc tại Trung Quốc 21

Hình 2.1 Tỷ lệ phân bố trữ lượng vỉa than dày, dốc thoải tại các mỏ hầm lò vùng Cẩm Phả 42

Hình 2.2 Tỷ lệ phân bố trữ lượng vỉa than dày, dốc thoải có khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác tại các mỏ hầm lò vùng Cẩm Phả 43

Hình 2.3 Công nghệ CGH khai thác hạ trần than nóc 45

Hình 2.4 Công nghệ cơ giới hóa khai thác chia lớp nghiêng,hạ trần thu hồi than lớp giữa 49

Hình 2.5 Dàn chống tự hành kiểu “che- chống” có kết cấu thu hồi than nóc sử dụng 1 máng cào 52

Hình 2.6 Dàn chống tự hành kiểu “chống - che” có kết cấu thu hồi than nóc, sử dụng 2 máng cào 54

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa chiều dài lò chợ với công suất khai thác, giá thành phân xưởng, chi phí sản xuất than 67 Hình 3.2 Mối quan hệ giữa chiều dài cột khai thác theo phương với công suất khai thác, giá thành phân xưởng, chi phí sản xuất than 69 Hình 3.3 Mối quan hệ giữa chiều cao khấu gương với công suất khai thác, giá thành phân xưởng, chi phí sản xuất than 70 Hình 3.4 Giải thuật tổng quát giải quyết bài toán tối ưu hóa các tham số của

sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải 74 Hình 4.1 Giao diện phần mềm tối ưu hóa các thông số của SĐCN cơ giới hóa khai thác vỉa than dày, dốc thoải 100 Hình 4.2 Kết quả tính toán tối ưu hóa chiều dài lò chợ khi biết trước chiều dài cột khai thác và chiều cao khấu (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 102 Hình 4.3 Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất với chiều dài lò chợ 103 Hình 4.4 Kết quả tính toán tối ưu hóa chiều dài cột khai thác khi biết trước chiều dài lò chợ và chiều cao khấu (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 104 Hình 4.5 Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất với chiều dài cột khấu (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 105 Hình 4.6 Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất với chiều cao khấu gương (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 106 Hình 4.7 Kết quả tính toán tối ưu hóa chiều dài lò chợ, chiều dài cột khai thác theo yếu tố chi phí sản xuất nhỏ nhất (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 108

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tổng hợp một số chỉ tiêu KTKT đạt được của CNKT cột dài theo phương, khấu lớp trụ bằng khoan nổ mìn, hạ trần thu hồi than nóc 8 Bảng 1.2: Tổng hợp chỉ tiêu KTKT đạt được của CNKT CGH đồng bộ sử dụng dàn tự hành Vinaalta, khấu than lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc 13 Bảng 1.3: Tổng hợp chỉ tiêu KTKT đạt được của CNKT chia lớp nghiêng 16 Bảng 2.1: Bảng tính chất cơ lý đá mỏ vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh 37 Bảng 2.2: Tổng hợp trữ lượng địa chất vỉa than dày, dốc thoải tại các mỏ hầm

lò vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh 41 Bảng 2.3: Tổng hợp trữ lượng các khu vực vỉa than dày, dốc thoải có khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác tại các mỏ hầm lò vùng Cẩm Phả 43 Bảng 2.4: Đặc tính kỹ thuật của một số loại dàn tự hành thu hồi than nóc có kết cấu kiểu “che - chống” sử dụng một máng cào 53 Bảng 2.5: Đặc tính kỹ thuật của một số loại dàn tự hành thu hồi than nóc có kết cấu “chống - che” sử dụng hai máng cào 55 Bảng 2.6: Bảng so sánh ưu, nhược điểm các loại dàn chống tự hành 56 Bảng 4.1: Các điều kiện tính toán bài toán tối ưu hóa 99

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, sản lượng khai thác than trong nước đã tăng trưởng với tốc độ cao Những thành tựu đạt được là kết quả của quá trình triển khai áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm từng bước nâng cao mức độ cơ giới hóa các khâu trong quá trình sản xuất Theo Điều chỉnh quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, sản lượng khai thác sẽ tăng nhanh từ 44,1 triệu tấn năm 2014 lên 58,2 triệu tấn năm 2020 và đạt khoảng 68,9 triệu tấn vào năm 2030 Trong đó, sản lượng than khai thác hầm lò sẽ liên tục tăng cao, từ 20,9 triệu tấn năm 2014 lên 48,6 triệu tấn vào năm 2030, tương ứng tăng khoảng 2,3 lần so với hiện nay và chiếm hơn 70% tổng sản lượng toàn ngành Như vậy, trong tương lai các mỏ hầm lò sẽ là các đơn vị đóng góp sản lượng khai thác than chủ yếu Do

đó, để đạt được mục tiêu sản lượng theo kế hoạch, nhất thiết cần đổi mới công nghệ khai thác than hầm lò theo hướng áp dụng các loại hình công nghệ cơ giới hóa các khâu sản xuất, đáp ứng các tiêu chí cơ bản của mỏ hiện đại như: công suất khai thác lớn; an toàn; trình độ công nghệ và thiết bị tiên tiến; giảm thiểu lao động thủ công; giám sát, thông tin liên lạc, điều hành sản xuất tập trung, tự động hóa yêu cầu đòi hỏi triển khai các nghiên cứu, phân tích, đề xuất, lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp, tạo cơ sở định hướng phát triển cơ giới hóa và hiện đại hóa các mỏ than

Một trong những điều kiện vỉa than tương đối phổ biến ở vùng than Đông Bắc nói chung, vùng Cẩm Phả nói riêng là đối tượng vỉa than dày thoải Hiện nay, để khai thác đối tượng vỉa than dày, góc dốc thoải, các công nghệ khai thác được áp dụng chủ yếu tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh là: Công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu lớp trụ bằng khoan nổ mìn thủ

công, hạ trần thu hồi than nóc; Công nghệ khai thác cơ giới hóa đồng bộ, khấu than lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc; Công nghệ khai thác chia lớp nghiêng, khấu lớp vách, lớp trụ bằng khoan nổ mìn, hạ trần thu hồi than lớp giữa Các

lò chợ áp dụng những sơ đồ công nghệ khai thác nói trên hiện nay cơ bản đã đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật yêu cầu, đóng góp tỷ lệ lớn trong sản lượng khai thác ngành than hàng năm Thực tế sản xuất cho thấy, sản lượng than từ các lò chợ khai thác vỉa dày thoải thường lớn hơn 1,5 ÷ 2 lần so với lò chợ khai thác vỉa dày trung bình trong cùng các điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ khác Tuy nhiên, sản lượng các lò chợ còn thấp (chỉ từ 120 ÷ 180 ngàn tấn/năm), năng suất lao động chưa cao (từ 2 ÷ 6 tấn/công-ca) Vì vậy,

vấn đề nghiên cứu “Tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công nghệ

khai thác vỉa than dày, dốc thoải vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh” với mục

tiêu nâng cao hiệu quả khai thác than là rất cần thiết và có ý nghĩa thiết thực

để thực hiện kế hoạch phát triển sản lượng ngành than

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công nghệ khai thác các vỉa than dày, dốc thoải vùng Cẩm Phả - Quang Ninh nhằm nâng cao hiệu quả khai thác than, phục vụ Quy hoạch phát triển Ngành than đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tham số của một số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là một số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải phù hợp điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ vùng Cẩm Phả - Quang Ninh

3

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu điều kiện địa chất và điều kiện các khoáng sàng hầm lò theo điều kiện cơ giới hóa khai thác

- Phân tích, đánh giá điều kiện trang thiết bị, khả năng cơ giới hóa của các đơn vị hầm lò trong Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

- Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công nghệ dốc thoải lựa chọn cho điều kiện các vỉa than vùng Cẩm Phả - Quang Ninh

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp khảo sát, tổng hợp, kế thừa các tài liệu;

- Phương pháp phân tích, thống kê và phương pháp đồ thị;

- Phương pháp mô hình hóa toán - kinh tế;

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

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

6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài: xây dựng được phương pháp luận tối

ưu hóa các tham số của sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải với tiêu chí tối ưu là chi phí sản xuất thấp nhất trên mỗi tấn than nguyên khai

6.2 Giá trị thực tiễn của đề tài: kết quả nghiên cứu góp phần xác định giá trị cụ thể của các tham số trong sơ đồ công nghệ khai thác theo điều kiện vỉa và công nghệ áp dụng, giúp Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam lựa chọn các giải pháp chuẩn bị ruộng mỏ hợp lý để cơ giới hóa ở các mỏ than hầm lò vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh nhằm phát triển bền vững, khai thác than có hiệu quả vùng Quảng Ninh

7 Những điểm mới của luận án

7.1 Xây dựng thuật giải bài toán tối ưu hóa các tham số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa dày dốc thoải vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh

7.2 Kết quả chạy máy tính đã cho phép đề xuất giá trị tối ưu các tham

số của một số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa dày dốc thoải tại mỏ Khe chàm III vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh

8 Luận điểm khoa học

8.1 Chi phí sản xuất phụ thuộc vào các tham số như: chiều dài lò chợ

và chiều dài cột khấu: khi chiều dài lò chợ và chiều dài cột khấu tăng lên đến một giá trị nhất định, chi phí sản xuất than là thấp nhất, sau đó nếu tiếp tục tăng giá trị các tham số này, chi phí sản xuất sẽ tăng lên

8.2 Trong điều kiện mỏ Khe Chàm III, chiều dài lò chợ cơ giới hóa tối

ưu là 200m với chiều dài cột khấu tối ưu là 500m

8.3 Trong quá trình tính toán tối ưu hóa các tham số của sơ đồ công nghệ, yếu tố giá thành phân xưởng nhỏ nhất không hoàn toàn tương ứng với chi phí sản xuất nhỏ nhất do trong trường hợp chi phí đào lò chuẩn bị tính trên mỗi tấn than cao hơn so với trường hợp đạt kết quả tối ưu

8.4 Hệ số hoàn thành chu kỳ Kck = 0,75

9 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị, 138 trang, bao gồm 24 hình vẽ và 10 bảng biểu

5

Chương 1 TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC

1.1 HIỆN TRẠNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA DÀY, DỐC THOẢI TẠI VÙNG THAN QUẢNG NINH

Trong những năm qua, sản lượng khai thác than trong nước đã tăng trưởng với tốc độ cao Những thành tựu đạt được là kết quả của quá trình triển khai áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm từng bước nâng cao mức độ cơ giới hóa các khâu trong quá trình sản xuất Theo Điều chỉnh quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, sản lượng khai thác sẽ tăng nhanh từ 44,1 triệu tấn năm 2014 lên 58,2 triệu tấn năm 2020 và đạt khoảng 68,9 triệu tấn vào năm 2030 Trong đó, sản lượng than khai thác hầm lò sẽ liên tục tăng cao, từ 20,9 triệu tấn năm 2014 lên 48,6 triệu tấn vào năm 2030, tương ứng tăng khoảng 2,3 lần so với hiện nay và chiếm hơn 70% tổng sản lượng toàn ngành Như vậy, trong tương lai các mỏ hầm lò sẽ là các đơn vị đóng góp sản lượng khai thác than chủ yếu

Do đó, để đạt được mục tiêu sản lượng theo kế hoạch, nhất thiết cần đổi mới công nghệ khai thác than hầm lò theo hướng áp dụng các loại hình công nghệ cơ giới hóa các khâu sản xuất, đáp ứng các tiêu chí cơ bản của mỏ hiện đại như: công suất khai thác lớn; an toàn; trình độ công nghệ và thiết bị tiên tiến; giảm thiểu lao động thủ công; giám sát, thông tin liên lạc, điều hành sản xuất tập trung, tự động hóa yêu cầu đòi hỏi triển khai các nghiên cứu, phân tích, đề xuất, lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp, tạo cơ sở định hướng phát triển cơ giới hóa và hiện đại hóa các mỏ than