BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA - CHẤT DƯƠNG ĐỨC HẢI NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHÈN HỢP LÝ TRONG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC ĐỂ BẢO VỆ BỀ MẶT TẠI CÁC MỎ HẦM LÒ VÙ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA - CHẤT
- -
DƯƠNG ĐỨC HẢI
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHÈN HỢP
LÝ TRONG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC ĐỂ BẢO VỆ BỀ MẶT TẠI CÁC
MỎ HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2016
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA - CHẤT
DƯƠNG ĐỨC HẢI
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHÈN HỢP
LÝ TRONG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC ĐỂ BẢO VỆ BỀ MẶT TẠI CÁC
MỎ HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 60520603
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Đỗ Mạnh Phong
HÀ NỘI - 2016
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, do chính tác giả thực hiện và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2016
Tác giả luận văn
Dương Đức Hải
Trang 4MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 3
MỤC LỤC 4
CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10
MỞ ĐẦU 13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KINH NGHIỆM ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI 17
1.1 Khái quát chung 17
1.2 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước tại các mỏ hầm lò Châu Âu 22
1.2.1 Tại Liên Xô (cũ) 22
1.2.2 Tại Ba Lan 27
1.3 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước tại Trung Quốc và Nhật Bản 31
1.3.1 Tại Trung Quốc 31
1.3.2 Tại Nhật Bản 35
1.4 Nhận xét 36
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHÈN TRONG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC VÙNG QUẢNG NINH 37
2.1 Kết quả nghiên cứu lựa chọn vật liệu chèn trong công nghệ chèn lò bằng sức nước trên thế giới 37
2.1.1 Tiêu chí lựa chọn vật liệu chèn tại các mỏ hầm lò trên thế giới 37
2.1.2 Các loại vật liệu chèn bằng sức nước tại các mỏ hầm lò trên thế giới 42
2.2 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu chèn bằng sức nước hợp lý cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh 45
Trang 52.2.1 Tiêu chí lựa chọn vật liệu chèn bằng sức nước phù hợp vùng Quảng
Ninh 45
2.2.2 Lựa chọn vật liệu chèn bằng sức nước phù hợp vùng Quảng Ninh 46
2.3 Tổng hợp trữ lượng và đề xuất nguồn cung cấp vật liệu chèn bằng sức nước cho các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh 58
2.3.1 Cát sông 59
2.3.2 Xít thải 61
2.3.3 Đá thải mỏ 63
2.3.4 Tro xỉ nhà máy nhiệt điện 65
2.4 Nhận xét 67
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC CHO ĐIỀU KIỆN MỎ CỤ THỂ VÙNG QUẢNG NINH 68
3.1 Lựa chọn vị trí và xác định các công trình cần bảo vệ bề mặt tại khu vực áp dụng thử nghiệm 68
3.1.1 Lựa chọn khu vực thiết kế áp dụng thử nghiệm 68
3.1.2 Hiện trạng công tác khai thông, chuẩn bị khu vực thiết kế 70
3.1.3 Xác định các công trình cần bảo vệ bề mặt tại khu vực thiết kế 71
3.2 Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ công nghệ khai thác và phương pháp chèn lò cho khu vực thiết kế 71
3.2.1 Lựa chọn sơ đồ công nghệ khai thác cho khu vực thiết kế 71
3.2.2 Lựa chọn phương pháp chèn lò bằng sức nước cho khu vực thiết kế 73
3.3 Khai thông và chuẩn bị cho khu vực thiết kế 74
3.4 Các giải pháp kỹ thuật công nghệ khai thác 76
3.4.1 Lựa chọn thiết bị chống giữ lò chợ 76
3.4.2 Hộ chiếu chống giữ lò chợ 77
3.4.3 Hộ chiếu khoan nổ mìn khai thác 80
3.4.4 Công tác chèn lò - điều khiển đá vách 80
3.4.5 Công tác tổ chức sản xuất trong lò chợ 82
3.4.6 Tính toán chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật lò chợ 85
Trang 63.4.7 Tính toán thiết kế giải pháp vận chuyển vật liệu chèn 95
3.5 Đánh giá hiệu quả của giải pháp thiết kế 99
3.5.1 Tính toán dự báo mức độ biến dạng bề mặt địa hình và kiểm tra khả năng đáp ứng yêu cầu bảo vệ công trình trên mặt 99
3.5.2 Đánh giá hiệu quả kinh tế giải pháp công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước 109
3.6 Nhận xét 114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 119
Trang 7CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Trang 8DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh các phương pháp chèn lò 20
Bảng 1.2 Khai thác chèn lò bằng sức nước tại các mỏ quặng của Nga 26
Bảng 1.3 Chỉ tiêu công nghệ chèn lò bằng sức nước tại các mỏ hầm lò Ba Lan 30
Bảng 2.1 Phân loại cát để chèn lò (Ba Lan - trước năm 1969)……… 38
Bảng 2.2 Phân loại cát để chèn lò (Ba Lan - sau năm 1969)……… 38
Bảng 2.3 Các loại VLC bằng sức nước thường sử dụng trên thế giới……… 44
Bảng 2.4 Thành phần khoáng vật của xít thải vùng Quảng Ninh……… 48
Bảng 2.5 Thành phần hóa học của xít thải vùng Quảng Ninh và Nga……… 49
Bảng 2.6 Tỷ lệ thành phần cỡ hạt của đá xít thải vùng Quảng Ninh……… 49
Bảng 2.7 Thành phần cỡ hạt của xít thải vùng Quảng Ninh……… 50
Bảng 2.8 Năng lực khai thác cát vùng Quảng Ninh……….59
Bảng 2.9 Tổng hợp trữ lượng cát sông trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh [7]……… 60
Bảng 2.10 Tổng hợp trữ lượng xít thải từ các xưởng tuyển than của TKV……… 61
Bảng 2.11 Các nguồn xít thải cung cấp cho các mỏ hầm lò Quảng Ninh…………62
Bảng 2.12 Thống kê sản lượng đá thải hàng năm của TKV……… 64
Bảng 2.13 Tổng hợp công suất thải tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện vùng Quảng Ninh……… 65
Bảng 2.14 Các nguồn tro xỉ cung cấp cho các mỏ hầm lò Quảng Ninh………… 66
Bảng 3.1 Khối tích các đường lò chuẩn bị lò chợ khai thác……… 75
Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của trạm bơm dung dịch nhũ hoá XRB2B 80/200… 76
Trang 9Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật của thùng chứa dung dịch nhũ hoá XRXTC………… 77
Bảng 3.4 Biểu đồ tổ chức chu kỳ khai thác lò chợ thiết kế……… 83
Bảng 3.5 Biểu đồ bố trí nhân lực khai thác lò chợ……… 84
Bảng 3.6 Bảng chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chủ yếu……… 94
Bảng 3.7 Tỷ lệ quy đổi đường kính ống……… 98
Bảng 3.8 Bảng tra giá trị N1 và N2………100
Bảng 3.9 Các góc dịch chuyển giới hạn xác định kích thước bồn dịch chuyển….101 Bảng 3.10 Bảng tra giá trị hàm số S(z), S’(z), S”(z)……… 102
Bảng 3.11 Kết quả tính toán các chỉ tiêu biến dạng mặt đất trong khu vực áp dụng thử nghiệm……… 107
Bảng 3.12 Hiệu quả kinh tế khi áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước…… 112
Bảng 3.13 Giá thành phân xưởng lò chợ khai thác chèn lò bằng sức nước…… 113
Bảng 3.13 Bảng cân bằng sản phẩm và doanh thu bán than……… 114
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phân bố trữ lượng than nằm dưới các nhóm công trình, đối tượng cần bảo
vệ bề mặt tại vùng than Quảng Ninh 17
Hình 1.2 Phân bố trữ lượng than nằm dưới các nhóm công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt tại các mỏ, khoáng sàng vùng Quảng Ninh 17
Hình 1.3 Biểu đồ phân bố trữ lượng nằm dưới các công trình cần bảo vệ bề mặt tại một số mỏ than hầm lò 18
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý chèn lò bằng sức nước sử dụng hạ áp tự nhiên 21
Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ chèn lò bằng sức nước tại mỏ Tkibul (Gruzia) 22
Hình 1.6 Công nghệ chèn lò bằng sức nước tại mỏ 1 - 2 “Krasnui Oktyabr” 23
Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ chèn lò bằng sức nước tại mỏ 1 - 2 “Krasnui Oktyabr” 24 Hình 1.8 So sánh chi phí khai thác phá hỏa và chèn lò tại mỏ Norilsky, Nga 25
Hình 1.9 Sản lượng than khai thác từ trụ bảo vệ các công trình bề mặt tại bể than Upper Silesia, Ba Lan trong giai đoạn năm 1998 - 2002 27
Hình 1.10 Bản đồ vị trí các thành phố tại bể than Upper Silesia - Ba Lan được 28
Hình 1.11 Khai thác than bằng chèn lò sức nước dưới thành phố Osiedle I.J.Padarewskie - Katowice, bể than Upper Silesia, Ba Lan 28
Hình 1.12 Khai thác than bằng chèn lò sức nước tại mỏ WUJEK, Ba Lan 29
Hình 1.13 Giá thành khai thác than bằng chèn lò sức nước tại Ba Lan 30
Hình 1.14 Sơ đồ CNKT cột dài theo phương, khấu chống bằng dàn chống - máy khấu, điều khiển vách bằng chèn lò sức nước tại mỏ Yuyang, Trung Quốc 32
Hình 1.15 Quy trình chèn lò sức nước tại mỏ Yuyang, Trung Quốc 33
Hình 1.16 Máy bơm và ống dẫn VLC tại mỏ Yuyang 33
Hình 1.17 Công nghệ cơ giới hóa khai thác, chèn lò bằng sức nước tại mỏ Daizhuang, Trung Quốc 34
Trang 11Hình 1.18 Sơ đồ mỏ than Taiheiyo - Nhật Bản 36
Hình 2.1 Thành phần cỡ hạt của vật liệu chèn 41
Hình 2.2 Cát sông tại vùng Quảng Ninh 47
Hình 2.3 Nguồn xít thải tại nhà máy tuyển than Cửa Ông - Cẩm Phả 48
Hình 2.4 Bãi thải tro xỉ tại nhà máy nhiệt điện Mạo Khê 52
Hình 2.5 Thành phần hạt của tro đáy, tro bay tại các nhà máy nhiệt điện 53
Hình 2.6 Kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt của các vật liệu chèn 54
Hình 2.7 Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của hỗn hợp VLC tới khả năng vận tải bằng đường ống 55
Hình 2.8 Kết quả thí nghiệm xác định tính thấm của vật liệu 56
Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm với hỗn hợp 1 nước : 2,4 tro bay : 1,5 tro đáy 56
Hình 2.10 Các nguồn đá thải mỏ tại vùng Quảng Ninh 63
Hình 3.1 Sơ đồ khu vực lò chợ thiết kế áp dụng thử nghiệm 69
Hình 3.2 Sơ đồ tính toán áp lực mỏ của lò chợ 78
Hình 3.3 Sơ đồ công nghệ khai thác lò chợ thiết kế 79
Hình 3.4 Hộ chiếu khoan nổ mìn khai thác lò chợ thiết kế 80
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý chèn lò áp dụng cho lò chợ thiết kế 81
Hình 3.6 Sơ đồ đường ống vận chuyển vật liệu chèn 96
Hình 3.7 Trắc dọc đường ống vận chuyển vật liệu chèn 96
Hình 3.8 Sơ đồ bố trí đường ống dẫn vật liệu chèn 97
Hình 3.9 Nguyên tắc xác định bồn dịch chuyển và các thông số dịch chuyển biến dạng bề mặt 101
Trang 12Hình 3.10 Xác định dấu của các giá trị S(zx), S(zy) 103
Hình 3.11 Bồn dịch chuyển sụt lún gây ra bởi khai thác hầm lò 105
Hình 3.12 Bồn dịch chuyển sụt lún theo mặt cắt ngang N1 - N1 106
Hình 3.13 Bồn dịch chuyển sụt lún theo mặt cắt ngang N3 - N3 106
Hình 3.14 Đồ thị dự báo độ lún bề mặt địa hình 107
Hình 3.15 Đồ thị dự báo dịch chuyển ngang bề mặt địa hình 107
Hình 3.16 Đồ thị dự báo biến dạng ngang bề mặt địa hình 108
Hình 3.17 Đồ thị dự báo độ nghiêng biến dạng 108
Hình 3.18 Đồ thị dự báo độ cong biến dạng 108
Trang 13MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của luận văn
Theo Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14 tháng 3 năm 2016 của Thủ tướng chính phủ về việc phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam
lượng, tài nguyên than hiện nay tại bể than Đông Bắc, có khoảng 2,1 tỷ tấn (chiếm 30,9%) đang nằm phía dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt, đối tượng chứa nước, diện tích quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch rừng, quy hoạch vùng cấm, hạn chế khai thác khoáng sản của tỉnh Quảng Ninh Trong đó, khoảng 0,6 tỷ tấn nằm trong ranh giới các dự án mỏ đã được phê duyệt; khoảng 1,5 tỷ tấn hiện chưa được quy hoạch khai thác Vấn đề khó khăn khi khai thác các vỉa than nằm dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ là ngoài vấn đề phải đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình khai thác, vừa phải giảm thiểu đến mức tối đa mức độ biến dạng bề mặt địa hình gây ra do ảnh hưởng của khai thác hầm lò
Trên thế giới, để khai thác triệt để nguồn tài nguyên than nằm dưới các công trình bề mặt cần bảo vệ và tăng hiệu quả khai thác, người ta thường áp dụng công nghệ khai thác chèn lò Đặc biệt đối với các vỉa than nằm dưới các công trình có yêu cầu khắt khe về mức độ biến dạng bề mặt địa hình như khu dân cư, công trình dân dụng và công nghiệp người ta thường áp dụng phương pháp chèn lò có mức
độ co ngót thấp, ít gây sụt lún, biến dạng bề mặt như chèn lò khí nén hoặc chèn lò bằng sức nước Trong đó, phương pháp chèn lò bằng sức nước là phương pháp được
sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay do ưu điểm là khối chèn (sau khi thi công) có độ bền chặt cao, bền vững, công suất chèn lò lớn (đến 400 m³/h và có thể cao hơn) nhờ khả năng vận chuyển vật liệu và thi công khối chèn một cách liên tục
địa chất - kỹ thuật mỏ, xác định trữ lượng than cần khai thác bằng chèn lò, đồng thời đề xuất một số sơ đồ công nghệ khai thác chèn lò phù hợp với điều kiện vùng
Trang 14Quảng Ninh Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phần lớn trữ lượng than nằm dưới các công trình trên mặt vùng Quảng Ninh có yêu cầu mức độ bảo vệ cao như đường điện quốc gia, đường quốc lộ, sân công nghiệp mỏ… đồng thời khẳng định tại những khu vực như vậy cần phải áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước nhằm hạn chế tối đa mức độ sập đổ đá vách, sụt lún và biến dạng bề mặt địa hình
Trong công nghệ chèn lò bằng sức nước, vật liệu chèn đóng vai trò rất quan trọng, quyết định đến mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình cũng như quyết định đến hiệu quả kinh tế của công nghệ Việc nghiên cứu vật liệu chèn đã được phát triển từ những năm 80 của thế kỷ 19, và đến nay đã đạt được nhiều thành tựu to lớn tại các nước có nền công nghiệp than phát triển trên thế giới như Nga, Ba Lan,
dựng dựa trên đặc tính của từng khu vực nghiên cứu áp dụng cụ thể, chưa đưa ra được các kết quả mang tính phổ quát
Trong bối cảnh hiện nay hầu hết các đơn vị sản xuất than hầm lò vùng Quảng Ninh đang phải mở rộng diện khai thác xuống sâu hoặc phải đầu tư xây dựng các
mỏ hầm lò mới để đáp ứng yêu cầu sản lượng, thì một phần lớn trữ lượng than nằm dưới các công trình cần bảo vệ đã được khai thông mở vỉa sẵn lại chưa được huy động khai thác gây lãng phí tài nguyên và làm giảm hiệu quả đầu tư của các dự án
mỏ Thực tế này đã đặt ra yêu cầu phải xem xét khả năng khai thác phần trữ lượng than dưới các công trình cần bảo vệ bề mặt bằng công nghệ chèn lò, đặc biệt là phương pháp chèn lò bằng sức nước với loại vật liệu chèn hợp lý nhằm lấy được tối
đa tài nguyên than Xuất phát từ yêu cầu đó, việc lựa chọn luận văn “Nghiên cứu
lựa chọn vật liệu chèn hợp lý trong công nghệ chèn lò bằng sức nước để bảo vệ
bề mặt tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh” là rất cần thiết
2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Lựa chọn được vật liệu chèn hợp lý trong công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước sao cho vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế, đồng thời đáp ứng được các yêu cầu bảo vệ các đối tượng, công trình bề mặt tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
Trang 153 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước và các loại vật liệu chèn có khả năng sử dụng phù hợp với điều kiện thực tế tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là một số tham số chính của vật liệu chèn quyết định đến khả năng áp dụng trong công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước
4 Nội dung nghiên cứu của luận văn
- Trữ lượng than nằm dưới công trình cần bảo vệ bề mặt vùng Quảng Ninh
- Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước trên thế giới
- Nghiên cứu lựa chọn vật liệu chèn sử dụng trong công nghệ chèn lò bằng sức nước vùng Quảng Ninh
- Đánh giá, tổng hợp trữ lượng các nguồn vật liệu có khả năng làm vật liệu chèn trong công nghệ chèn lò bằng sức nước vùng Quảng Ninh
- Thiết kế giải pháp công nghệ chèn lò bằng sức nước cho điều kiện mỏ cụ thể vùng Quảng Ninh
5 Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu đã đặt ra, luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính gồm: (1) Phương pháp khảo sát, tổng hợp, kế thừa các tài liệu; (2) Phương pháp phân tích, thống kê và phương pháp đồ thị; (3) Phương pháp
mô hình số; (4) Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
- Ý nghĩa khoa học: Đây là hướng nghiên cứu mới về vật liệu chèn sử dụng
trong công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước phù hợp với điều kiện khoáng sàng vùng Quảng Ninh Giải pháp đề xuất là định hướng quan trọng trong công tác nghiên cứu, thiết kế thuộc lĩnh vực công nghệ khai thác than hầm lò