Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khai thác than, đặc biệt là khai thác than hầm lò, là ngành sản xuất công nghiệp đặc thù có tính chất kỹ thuật phức tạp do toàn bộ quá trình thi công và thu hồi tài nguyên đều diễn ra trong lòng đất. Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu cung cấp năng lượng phục vụ nền kinh tế quốc dân gia tăng liên tục, đòi hỏi ngành than phải từng bước mở rộng quy mô, nâng cao sản lượng khai thác, tăng năng suất lao động và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế. Giải pháp cốt lõi để hiện thực hóa mục tiêu này là đẩy mạnh đầu tư xây dựng cơ bản, đổi mới công nghệ mỏ theo hướng cơ giới hóa đồng bộ và áp dụng thiết bị hiện đại có công suất lớn.
Mỏ than Nam Mẫu (thuộc vùng than Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh) là một trong những mỏ hầm lò trọng điểm đã trải qua nhiều giai đoạn thăm dò địa chất và khai thác từ các mức lộ thiên, lò bằng mức +250m lên lộ vỉa, sau đó mở rộng xuống các mức dưới lò bằng (+125m). Nhằm đáp ứng nhu cầu tăng sản lượng mỏ lên quy mô lớn và đảm bảo sự phát triển liên tục của các diện khai thác, việc nghiên cứu thiết kế khai thông các tầng than ở độ sâu lớn hơn là nhiệm vụ kỹ thuật cấp thiết.
Đồ án tốt nghiệp được xây dựng nhằm giải quyết 2 nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể:
- Nhiệm vụ thiết kế chung: Thiết kế mở vỉa và hệ thống khai thác cho mỏ than Nam Mẫu từ mức +125m đến -200m, đạt công suất thiết kế 2,0 triệu tấn than/năm.
- Nhiệm vụ chuyên đề: Nghiên cứu, so sánh và lựa chọn phương án mở vỉa tối ưu về kỹ thuật và kinh tế cho khu vực thiết kế.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là toàn bộ cấu trúc địa tầng, hệ thống 9 vỉa than có giá trị công nghiệp, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn và mạng lưới công trình khai thông mỏ than Nam Mẫu. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau:
- Phạm vi không gian: Khai trường mỏ than Nam Mẫu nằm cách thị xã Uông Bí khoảng 25 km về phía Tây Bắc; phía Bắc giáp dãy núi Bảo Đài, phía Nam giáp thôn Nam Mẫu, phía Đông giáp khu cánh gà mỏ Vàng Danh, phía Tây giáp khu bảo vệ di tích chùa Yên Tử. Khu vực thiết kế có diện tích 4,0 km² (chiều dài theo phương 2,0 km, chiều rộng theo hướng dốc 2,0 km), chiều sâu khai thác từ mức +125m xuống mức -200m.
- Phạm vi thời gian và tài liệu: Đồ án sử dụng các kết quả thăm dò địa chất, báo cáo tính toán trữ lượng qua các giai đoạn từ năm 1959 đến năm 2007 và hiện trạng khai thác cập nhật đến ngày 30 tháng 11 năm 2008; hoàn thành thiết kế vào năm 2018.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các lý thuyết chuyên ngành khai thác mỏ hầm lò, cơ học đá ngầm, thông gió mỏ và kỹ thuật nổ mìn kết hợp các phương pháp tính toán giải tích:
-
Khung lý thuyết và mô hình tính toán:
- Mô hình tính toán trữ lượng địa chất: Sử dụng phương pháp khối địa chất tính theo công thức trung bình đại số ($Z = \sum S_{vi} \cdot m_{tb} \cdot \gamma$) dựa trên các chỉ tiêu diện tích, chiều dày và dung trọng than của từng vỉa.
- Lý thuyết áp lực mỏ tác dụng lên vì chống: Sử dụng lý thuyết vòm cân bằng tự nhiên của Giáo sư M.M. Protodyakonov để xác định tải trọng đất đá tác dụng lên nóc lò dựa trên hệ số độ kiên cố ($f$); áp dụng giả thuyết vòm áp lực của Giáo sư P.M. Tsimbarevich để tính toán áp lực tác dụng lên hông và nền lò theo góc nội ma sát ($\varphi$).
- Lý thuyết khoan nổ mìn đào lò đá: Áp dụng công thức thực nghiệm của N.M. Pokrovsky để xác định chỉ tiêu tiêu hao thuốc nổ đơn vị ($q$), kết hợp các mô hình tính toán số lượng và khoảng cách bố trí các nhóm lỗ mìn biên, lỗ mìn phá và lỗ mìn đột phá trên gương lò.
- Văn bản quy chuẩn kỹ thuật: Áp dụng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò (QCVN 01:2011/BCT) trong việc tính toán lưu lượng gió, kiểm tra vận tốc gió cho phép ($0,25 \div 8$ m/s) và xác định khoảng cách an toàn từ đầu ống thông gió đến gương đào ($L = 6 \div 8$ m).
-
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, hệ thống hóa toàn diện các báo cáo thăm dò địa chất, đặc tính cơ lý đất đá, phẩm chất than và hiện trạng công trình ngầm hiện hữu tại mỏ Nam Mẫu.
- Phương pháp giải tích kỹ thuật mỏ: Tính toán trữ lượng công nghiệp, tuổi thọ khai thác của mỏ, phân chia tầng và khu vực khai thác; tính toán kích thước hình học tiết diện đường lò thỏa mãn điều kiện khổ tĩnh không của thiết bị vận tải và điều kiện thông gió mỏ; tính toán thiết kế hộ chiếu khoan nổ mìn và hộ chiếu chống giữ.
- Phương pháp so sánh phương án kinh tế - kỹ thuật: Thiết lập 4 phương án mở vỉa; phân tích ưu - nhược điểm kỹ thuật về vận tải than, vận chuyển vật liệu, thông gió, thoát nước và thi công đào lò; tính toán so sánh định lượng tổng chi phí (đào lò xây dựng cơ bản, bảo vệ đường lò, vận tải than và mua sắm thiết bị).
-
Nguồn dữ liệu:
- Báo cáo địa chất thăm dò tỷ mỷ mức +125 mỏ than Thùng - Yên Tử (Liên đoàn Địa chất II, 1969).
- Báo cáo địa chất thăm dò sơ bộ mức giếng -350 mỏ than Thùng - Yên Tử (Liên đoàn Địa chất IX, 1976).
- Báo cáo kết quả thăm dò bổ sung mỏ than Nam Mẫu (Xí nghiệp Địa chất 906, 1999).
- Báo cáo tổng hợp tài liệu địa chất mỏ than Nam Mẫu (Xí nghiệp Địa chất Trắc địa Đông Triều, 2004).
- Báo cáo điều chỉnh và tính lại trữ lượng địa chất từ lộ vỉa đến -350 tuyến IIA đến F.13 (2006).
- Bản đồ địa hình, bình đồ tính trữ lượng 9 vỉa than và các mặt cắt tuyến thăm dò cập nhật đến tháng 11/2008.
Thiết kế kỹ thuật và triển khai
Căn cứ vào điều kiện địa hình vùng núi cao thoải, cấu trúc địa tầng chứa than đơn tà dốc nghiêng và sự chia cắt của các đứt gãy kiến tạo, đồ án đã triển khai giải pháp kỹ thuật mở vỉa và thiết kế thi công công trình ngầm đại diện như sau:
-
Giải pháp mở vỉa tổng thể:
- Lựa chọn giải pháp mở vỉa bằng cặp giếng nghiêng kết hợp hệ thống lò xuyên vỉa từng tầng (Phương án I). Mặt bằng miệng giếng đặt tại mức +125m ngoài khu vực bảo vệ di tích Yên Tử (Giếng nghiêng chính tại tọa độ $X = 38.456, Y = 370.179$; Giếng nghiêng phụ tại tọa độ $X = 38.426, Y = 370.205$).
- Giếng nghiêng chính đào dốc góc $\alpha = 18^\circ$, trang bị hệ thống băng tải chuyên dụng vận tải than lên mặt bằng. Giếng nghiêng phụ đào dốc góc $\alpha = 23^\circ$, trang bị trục tải tời thùng phục vụ vận chuyển người, đất đá, thiết bị và vật liệu.
-
Thiết kế thi công đường lò mở vỉa đại diện (Lò xuyên vỉa vận tải mức +50):
- Hình dạng và vật liệu vỏ chống: Đường lò có tiết diện hình vòm một tâm tường thẳng. Vật liệu chống giữ sử dụng vì chống thép cán định hình chuyên dụng SVP-27 với bước chống $0,7$ m/vì, chèn nóc và hông bằng tấm chèn bê tông kết hợp thanh giằng thép liên kết. Các đoạn lò đào qua đới đứt gãy kiến tạo được gia cố bằng vỏ chống bê tông cốt thép đổ tại chỗ.
- Kích thước tiết diện đường lò:
- Chiều rộng trong khung chống $B_v = 5200$ mm, bán kính vòm $R = 2600$ mm.
- Chiều rộng đường lò khi đào $B' = 5500$ mm.
- Chiều cao tường lò $H_t = 1850$ mm, chiều cao tổng thể đường lò $H = 4450$ mm.
- Diện tích sử dụng (tiết diện thông gió) $S_{sd} = 21,2$ m², diện tích đào $S_đ = 23,2$ m².
- Dây chuyền thiết bị vận tải trong lò: Tuyến băng tải lòng máng có chiều rộng băng $B = 1000$ mm, tốc độ vận hành $v = 2,5$ m/s, đảm bảo năng suất vận tải than yêu cầu đạt $606,06$ tấn/h; vận tải phụ trợ và đất đá bằng đoàn tàu đầu máy điện ắc quy AM-8 kéo goòng tự lật UVG-3,3 (dung tích thùng $3,3$ m³, khổ đường ray $900$ mm).
-
Hộ chiếu khoan nổ mìn đào lò xuyên vỉa mức +50:
- Thiết bị khoan và cung cấp năng lượng: Máy khoan búa khí nén cầm tay $\Pi\text{R}-30$ (Nga chế tạo, trọng lượng 30 kg, áp suất làm việc 5 kg/cm², tiêu hao khí nén 3,5 m³/phút); máy nén khí di động $\text{ЭWØW-BKC-50}$ (công suất động cơ 40 kW, lưu lượng khí nén 5 m³/phút); máy bơm cấp nước rửa lỗ khoan $\text{IB-20/10}$ (công suất động cơ 13 kW, năng suất bơm 16 m³/h).
- Vật liệu nổ và phương tiện khởi nổ: Thuốc nổ an toàn mỏ hầm lò AH.1 (thỏi trọng lượng 200g, đường kính thỏi $\phi 36$ mm, nhiệt lượng nổ $1100 \div 1150$ kcal/kg); kíp nổ vi sai an toàn vỏ đồng do hãng IDL (Ấn Độ) sản xuất, cấp nổ số 8; máy nổ mìn xung điện chuyên dụng $\text{IIиB-1/100}$ (Nga sản xuất, điện áp nổ 600V, khả năng khởi nổ tối đa 100 kíp/lần).
- Thông số nổ mìn và chu kỳ đào lò: Đường kính lỗ khoan $d_k = 40$ mm, chiều sâu trung bình lỗ khoan $l_k = 1,62$ m, tiến độ đào $l_{tđ} = 1,4$ m/chu kỳ (hệ số sử dụng lỗ mìn $\eta = 0,85$). Tổng số lỗ khoan trên gương là 46 lỗ, phân bố theo các nhóm:
- Nhóm lỗ mìn đột phá tạo rạch: 6 lỗ, chiều sâu 1,72 m, lượng thuốc nạp 1,2 kg/lỗ.
- Nhóm lỗ mìn phá: 14 lỗ, chiều sâu 1,62 m, lượng thuốc nạp 0,9 kg/lỗ.
- Nhóm lỗ mìn tạo biên: 25 lỗ, chiều sâu 1,62 m, lượng thuốc nạp 0,9 kg/lỗ.
- Nhóm lỗ mìn tạo rãnh nước: 1 lỗ, chiều sâu 1,62 m, lượng thuốc nạp 0,9 kg/lỗ.
- Tổng lượng thuốc nổ tiêu thụ thực tế cho 1 chu kỳ đào lò là $Q_{tt} = 47,7$ kg (chỉ tiêu tiêu hao thuốc nổ đơn vị tính toán đạt $q = 1,48$ kg/m³).
-
Hệ thống thông gió cục bộ khi đào lò:
- Áp dụng phương pháp thông gió đẩy (thổi) cục bộ sử dụng đường ống dẫn gió mềm đường kính $D = 1200$ mm.
- Thiết bị thông gió: Quạt cục bộ chống nổ VM-12 (Liên Xô sản xuất, dải lưu lượng $600 \div 1800$ m³/phút).
- Lưu lượng gió tính toán yêu cầu cấp cho gương đào theo tiêu chuẩn khử bụi và khí độc là $Q = 696$ m³/phút, đảm bảo thời gian thông gió tích cực làm sạch khí độc sau nổ mìn là $t = 30$ phút; khoảng cách từ miệng ống gió đến gương lò duy trì $L = 8$ m đúng theo QCVN 01:2011/BCT.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Đặc điểm và điều kiện địa chất khu mỏ
Chương I tổng hợp toàn diện các yếu tố tự nhiên, địa chất công trình, địa chất thủy văn và trữ lượng than khoáng sàng Nam Mẫu làm cơ sở cho công tác thiết kế mỏ:
- Đặc điểm địa tầng: Toàn bộ trầm tích chứa than khu Nam Mẫu thuộc cánh Nam nếp lồi Bảo Đài, tuổi Triat - Jura ($T_3n - J_1$), chiều dày địa tầng khoảng 1.000 m chia thành 4 tập trầm tích. Trong đó, tập thứ hai $(T_3n - J_1)_2$ có chiều dày trung bình 400 m, cấu tạo phân nhịp rõ rệt gồm bột kết, cát kết, ít lớp sét kết, chứa toàn bộ 9 vỉa than có giá trị khai thác công nghiệp (V3, V4, V5, V6, V6a, V7T, V7, V8, V9). Tập thứ ba $(T_3n - J_1)_3$ dày khoảng 330 m, gồm bột kết, cát kết và sạn kết thạch anh, không chứa vỉa than có giá trị công nghiệp.
- Cấu trúc kiến tạo: Khai trường có dạng đơn tà cắm về phía Bắc, bị chia cắt phức tạp bởi các hệ thống uốn nếp (nếp lồi L1, L3; nếp lõm L2, H3, H6) và hệ thống đứt gãy kiến tạo (F13, F12, F9, F4, F250, F74, F335, F400, F325, F80). Hai đứt gãy ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực thiết kế gồm:
- Đứt gãy F12: Là đứt gãy thuận cắm về phía Đông với góc dốc trung bình 45°, chiều dài 720 m, tạo thành khối địa chất hình nêm cắm vào đứt gãy F13.
- Đới đứt gãy F400 (gồm F400 vách và F400 trụ): Là đứt gãy nghịch cắm về phía Đông Nam, chiều dài trên 1.500 m, bề rộng đới phá hủy $30 \div 60$ m, chia cắt khoáng sàng thành hai khối nông và sâu.
- Đặc điểm cấu tạo các vỉa than công nghiệp:
- Vỉa 3: Chiều dày vỉa $0,60 \div 6,20$ m (riêng than $0,55 \div 5,50$ m), số lớp kẹp $0 \div 13$, hệ số chứa than 88%, cấu tạo phức tạp.
- Vỉa 4: Chiều dày vỉa $0,39 \div 15,30$ m (riêng than $0,30 \div 14,00$ m), số lớp kẹp $0 \div 17$, hệ số chứa than 90%, vỉa có chiều dày trung bình, cấu tạo phức tạp.
- Vỉa 5: Chiều dày trung bình vỉa $4,63$ m (chiều dày riêng than trung bình $4,30$ m), số lớp kẹp $0 \div 18$, hệ số chứa than 93%, cấu tạo rất phức tạp.
- Vỉa 6: Chiều dày trung bình vỉa $6,06$ m (chiều dày riêng than trung bình $5,70$ m), số lớp kẹp $0 \div 15$, hệ số chứa than 94%, thuộc nhóm vỉa dày.
- Vỉa 6a: Chiều dày trung bình vỉa $4,15$ m (riêng than trung bình $3,78$ m), số lớp kẹp $0 \div 8$, hệ số chứa than 91%, cấu tạo rất phức tạp.
- Vỉa 7T: Chiều dày vỉa $1,01 \div 5,80$ m (riêng than trung bình $2,60$ m), số lớp kẹp $0 \div 5$, hệ số chứa than 92%, cấu tạo tương đối phức tạp.
- Vỉa 7: Chiều dày trung bình riêng than $4,85$ m, số lớp kẹp $0 \div 12$, hệ số chứa than 93%, cấu tạo phức tạp, duy trì liên tục toàn mỏ.
- Vỉa 8: Chiều dày trung bình riêng than $1,98$ m, số lớp kẹp $0 \div 4$, vỉa có chiều dày trung bình, cấu tạo tương đối đơn giản.
- Vỉa 9: Chiều dày trung bình riêng than $2,37$ m, số lớp kẹp $0 \div 6$, hệ số chứa than 91%, cấu tạo phức tạp.
- Phẩm chất than: Than mỏ Nam Mẫu thuộc loại antraxit biến chất cao, khó tuyển, tỷ lệ than cám lớn. Thành phần nguyên tố trung bình gồm: Cacbon ($C^k = 78,69%$), Hydro ($H^k = 1,52%$), Nitơ ($N^k = 0,70%$), Oxy ($O^k = 2,36%$). Độ ẩm phân tích thấp ($W^{pt} = 3,69%$), chất bốc thấp ($V^k = 2,80 \div 4,50%$), hàm lượng phốt pho thấp, nhiệt lượng cháy khô cao ($Q^k = 4.027 \div 7.020$ kcal/kg, trong đó vỉa 7 đạt cao nhất 7.020 kcal/kg).
- Địa chất công trình và thủy văn: Đất đá vách trụ gồm sét kết (cường độ kháng nén trung bình 331 kg/cm², chiếm 15%), bột kết (cường độ kháng nén trung bình 618 kg/cm², chiếm 42,69%) và cát kết/sạn kết rắn chắc (chiếm 42,31%). Hệ số kiên cố trung bình $f = 7,82$ (thuộc nhóm đất đá VIII), đất đá nứt nẻ ít, không xuất hiện hiện tượng cát chảy hay bùng nền nghiêm trọng. Nước ngầm có áp lực cục bộ (mực thủy áp cao hơn mặt đất đến 5m), mang tính axit ($pH = 4$), tổng độ khoáng hóa $M = 0,394$ g/l.
- Trữ lượng địa chất toàn khoáng sàng: Tổng tài nguyên và trữ lượng than địa chất toàn mỏ (tính từ lộ vỉa đến đáy tầng than) là $256.701.000$ tấn; trong đó cấp B (111) là $29.489.063$ tấn, cấp C1 (122+222) là $116.893.856$ tấn, cấp C2 (333) là $97.900.437$ tấn, cấp P1 (334a) là $15.802.266$ tấn. Trữ lượng trong vùng cấm hoạt động khoáng sản là $98.076.828$ tấn; tổng trữ lượng được phép hoạt động khoáng sản trong ranh giới khai trường là $146.848.000$ tấn.
Chương II: Mở vỉa và chuẩn bị ruộng mỏ
Chương II tập trung giải quyết các bài toán tính toán kỹ thuật mỏ, thiết lập và lựa chọn phương án mở vỉa, phân tầng khai thác và thiết kế thi công công trình mở vỉa:
- Tính toán trữ lượng trong biên giới thiết kế: Trữ lượng địa chất trong bảng cân đối từ mức +125m đến -200m được tính toán chi tiết cho 9 vỉa than theo bảng sau:
| STT | Tên vỉa | Chiều dày trung bình $m_{tb}$ (m) | Chiều dài theo hướng dốc $B_i$ (m) | Góc dốc trung bình $\alpha$ (độ) | Chiều dài theo phương $L_i$ (m) | Tỷ trọng than $\gamma$ (T/m³) | Trữ lượng địa chất $Z_{đc}$ (tấn) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | V9 | 2,60 | 979 | 29 | 2400 | 1,65 | 8.180.132 |
| 2 | V8 | 2,15 | 896 | 32 | 2400 | 1,65 | 7.628.544 |
| 3 | V7 | 5,40 | 1167 | 24 | 2400 | 1,65 | 24.955.128 |
| 4 | V7t | 2,82 | 1012 | 28 | 2400 | 1,65 | 11.301.206 |
| 5 | V6a | 4,15 | 1046 | 27 | 2400 | 1,65 | 17.189.964 |
| 6 | V6 | 6,06 | 1012 | 28 | 2400 | 1,65 | 24.285.571 |
| 7 | V5 | 4,63 | 979 | 29 | 2400 | 1,65 | 17.949.769 |
| 8 | V4 | 3,97 | 950 | 30 | 2400 | 1,65 | 14.935.140 |
| 9 | V3 | 4,68 | 896 | 32 | 2400 | 1,65 | 16.605.389 |
| Tổng | 143.030.843 |
- Xác định trữ lượng công nghiệp và tuổi thọ mỏ:
- Tổn thất than chung $t_t = 2%$, tổn thất khai thác $t_{kt} = 12%$, tổng tổn thất $T_{ch} = 14%$, tương ứng hệ số khai thác $C = 0,86$.
- Trữ lượng công nghiệp: $Z_{CN} = 143.030.843 \times 0,86 = 123.006.525$ tấn.
- Với công suất thiết kế $A_m = 2,0$ triệu tấn/năm, tuổi mỏ tính toán đạt $T_t = 123.006.525 / 2.000.000 = 61,5$ năm.
- Thời gian tồn tại thực tế của mỏ: $T_{th} = T_t + T_1 \text{ (xây dựng: 3 năm)} + T_2 \text{ (khấu vét: 2 năm)} = 66,5$ năm.
- Chế độ làm việc và phân chia ruộng mỏ:
- Mỏ làm việc 300 ngày/năm, 3 ca/ngày, 8 giờ/ca; áp dụng chế độ đổi ca nghịch nhằm tối ưu hóa thời gian nghỉ ngơi phục hồi sức khỏe cho thợ mỏ.
- Ruộng mỏ từ mức +125m đến -200m được chia thành 4 tầng khai thác: Tầng 1 (mức +125 đến +50m, chiều cao tầng 75m); Tầng 2 (mức +50 đến -30m, chiều cao tầng 80m); Tầng 3 (mức -30 đến -110m, chiều cao tầng 80m); Tầng 4 (mức -110 đến -200m, chiều cao tầng 80m).
- So sánh 4 phương án mở vỉa:
- Phương án I: Mở vỉa bằng cặp giếng nghiêng kết hợp hệ thống xuyên vỉa từng tầng (+125, +50, -30, -110, -200).
- Phương án II: Mở vỉa bằng cặp giếng đứng kết hợp hệ thống xuyên vỉa từng tầng.
- Phương án III: Mở vỉa bằng cặp giếng nghiêng kết hợp xuyên vỉa mức tập trung.
- Phương án IV: Mở vỉa bằng cặp giếng đứng kết hợp xuyên vỉa mức tập trung.
- Kết quả lựa chọn: Phương án I được chọn nhờ chi phí xây dựng cơ bản và bảo vệ thấp, tiến độ đưa mỏ vào sản xuất nhanh, sơ đồ vận tải băng tải liên tục cho năng suất cao và phù hợp với năng lực thi công thực tế tại mỏ.
- Thiết kế thi công chi tiết đường lò xuyên vỉa vận tải mức +50:
- Xác lập tiết diện đào $S_đ = 23,2$ m², diện tích sử dụng $S_{sd} = 21,2$ m².
- Kiểm tra vận tốc luồng gió đi trong lò đạt $v = 1,36$ m/s (thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép $0,25 \div 8$ m/s).
- Tính toán áp lực mỏ nóc lò đạt $P_N = 3,75$ tấn/m², áp lực hông lò $P_h = 2,42$ tấn/m², áp lực nền rất nhỏ ($2,24 \times 10^{-5}$ tấn/m² nên không cần chống giữ nền).
- Lập hộ chiếu vì chống thép SVP-27 bước chống 0,7 m; hộ chiếu khoan nổ mìn gương lò gồm 46 lỗ khoan, sử dụng 47,7 kg thuốc nổ AH.1; sơ đồ thông gió đẩy cục bộ dùng quạt VM-12 và ống gió $\phi 1200$ mm cấp lưu lượng gió $696$ m³/phút.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán kinh tế - kỹ thuật so sánh giữa các phương án mở vỉa:
| STT | Chỉ tiêu kinh tế | Phương án I (triệu đồng) | Phương án II (triệu đồng) | Phương án III (triệu đồng) | Phương án IV (triệu đồng) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Chi phí đào lò xây dựng cơ bản | 940.572,3 | 1.432.890,0 | 790.070,0 | 725.733,0 |
| 2 | Chi phí duy tu, bảo vệ đường lò | 501.840,0 | 1.477.397,0 | 656.958,0 | 1.065.909,0 |
| 3 | Chi phí vận tải than | 1.219.469,0 | 1.321.020,0 | 1.044.077,0 | 1.127.678,0 |
| 4 | Chi phí mua sắm thiết bị mỏ | 23.190,0 | 34.500,0 | 23.190,0 | 34.500,0 |
| 5 | Tổng chi phí | 2.485.071,0 | 2.976.206,0 | 2.514.295,0 | 2.953.820,0 |
| 6 | Tỷ lệ so sánh | 100,0% | 119,7% | 101,1% | 118,8% |
- Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả:
- Lựa chọn giải pháp mở vỉa Phương án I giúp giảm $19,7%$ tổng chi phí so với giếng đứng từng tầng (PA II), giảm $18,8%$ so với giếng đứng xuyên vỉa mức (PA IV) và tiết kiệm $29,22$ tỷ đồng so với giếng nghiêng xuyên vỉa mức (PA III).
- Đề xuất phân chia ruộng mỏ thành 4 tầng với chiều cao tầng từ $75 \div 80$ m, bảo đảm sự cân đối về mặt áp lực mỏ, thuận lợi cho việc kiểm soát thoát nước tự chảy và phân chia luồng gió sạch - gió bẩn độc lập giữa các mức.
- Chuẩn hóa bộ thông số công nghệ đào lò xuyên vỉa đá tiết diện lớn ($S_đ = 23,2$ m²): ứng dụng vì chống thép SVP-27 bước chống $0,7$ m, máy khoan búa khí nén $\Pi\text{R}-30$, thuốc nổ an toàn AH.1 với chu kỳ đào lò tiến độ ổn định $1,4$ m/chu kỳ.
- Đóng góp của đồ án:
- Hoàn thiện phương án thiết kế khai thông xuống sâu cho mỏ than Nam Mẫu đạt công suất 2,0 triệu tấn/năm, kế thừa và đồng bộ hóa các công trình mặt bằng, lò bằng mức +125m hiện hữu.
- Cung cấp phương pháp luận tính toán áp lực mỏ, hộ chiếu nổ mìn và thông gió cục bộ có độ tin cậy cao, gắn kết chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học mỏ và điều kiện địa chất - kỹ thuật thực tế của bể than Quảng Ninh.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế được chỉ ra trong văn bản:
- Mật độ lấy mẫu và nghiên cứu khí mỏ tại khoáng sàng Nam Mẫu chưa đủ dày để lập bản đồ phân vùng chính xác quy luật biến đổi độ chứa khí cháy nổ của các vỉa than theo phương và hướng dốc xuống sâu.
- Tài liệu địa chất công trình và mức độ dịch chuyển đất đá xung quanh đới phá hủy của các đứt gãy lớn (nhất là đứt gãy F400 và F305) ở các mức dưới -30m chưa được khoan thăm dò chi tiết, tiềm ẩn rủi ro phát sinh nước ngầm và sập lở khi đường lò đi qua đứt gãy.
- Do hạn chế về thông tin biến động giá thiết bị và định mức thi công trên thị trường, phần tính toán kinh tế chỉ so sánh các hạng mục công trình xây dựng cơ bản và thiết bị chính yếu có sự khác biệt giữa các phương án.
- Hướng nghiên cứu và thăm dò bổ sung:
- Cần lập đề án khoan thăm dò bổ sung các lỗ khoan sâu qua đới đứt gãy F400 và F305 nhằm xác định chính xác ranh giới dịch chuyển vỉa than và tính chất cơ lý đất đá để lập biện pháp thi công gia cố đặc biệt.
- Nghiên cứu đo đạc và quan trắc khí mỏ chi tiết khi các đường lò mở vỉa tiến sâu xuống mức -200m để chủ động kiểm soát nguy cơ tích tụ khí mêtan và tự cháy của than antraxit.
- Nghiên cứu áp dụng các giải pháp công nghệ đào lò nhanh, cơ giới hóa khâu xúc bốc và chống giữ tạm nhằm rút ngắn thời gian xây dựng cơ bản mỏ.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng thụ hưởng:
- Sinh viên và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật mỏ, Khai thác mỏ hầm lò, Xây dựng công trình ngầm và mỏ (Trường Đại học Mỏ - Địa chất và các cơ sở đào tạo kỹ thuật địa chất - mỏ) sử dụng làm tài liệu tham khảo mẫu mực cho đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp thiết kế mỏ hầm lò.
- Kỹ sư và chuyên viên thiết kế mỏ: Tại các viện nghiên cứu chuyên ngành (Viện Khoa học Công nghệ Mỏ) và các công ty tư vấn thiết kế mỏ thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV).
- Cán bộ kỹ thuật và quản đốc phân xưởng: Đang trực tiếp điều hành công tác đào lò, thông gió, trắc địa và an toàn mỏ tại Công ty Than Nam Mẫu và các đơn vị khai thác than hầm lò có điều kiện địa chất tương tự (Vàng Danh, Mạo Khê, Khe Chàm).
- Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
- Phương pháp phân tích, lựa chọn sơ đồ mở vỉa và quy trình lập bảng tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật 4 phương án mở vỉa mỏ hầm lò công suất lớn.
- Toàn bộ thuật toán và bảng tính áp lực mỏ theo Protodyakonov - Tsimbarevich, kích thước tiết diện đường lò vòm SVP-27 và hộ chiếu khoan nổ mìn hoàn chỉnh cho đường lò đá tiết diện trên 20 m².
Câu hỏi thường gặp
1. Phạm vi mở vỉa và công suất thiết kế của mỏ than Nam Mẫu trong đồ án được xác định là bao nhiêu?
Khai trường thiết kế có diện tích 4,0 km² (kích thước $2,0 \times 2,0$ km), phạm vi chiều sâu khai thác từ mức +125m xuống mức -200m, với công suất thiết kế đạt 2,0 triệu tấn than/năm.
2. Trữ lượng công nghiệp và thời gian tồn tại thực tế của mỏ được tính toán như thế nào?
Trữ lượng địa chất trong bảng cân đối của 9 vỉa than là $143.030.843$ tấn. Với hệ số khai thác $C = 0,86$ (tổng tổn thất $14%$), trữ lượng công nghiệp đạt $123.006.525$ tấn. Thời gian khai thác tính toán là $61,5$ năm; cộng với 3 năm xây dựng cơ bản và 2 năm khấu vét đóng cửa mỏ, thời gian tồn tại thực tế của mỏ là $66,5$ năm.
3. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án I (giếng nghiêng kết hợp xuyên vỉa từng tầng) làm phương án tối ưu?
Phương án I có tổng chi phí thấp nhất ($2.485.071$ triệu đồng, thấp hơn từ $1,1% \div 19,7%$ so với 3 phương án còn lại), chi phí đào lò và duy tu bảo vệ giếng hợp lý, công nghệ thi công giếng nghiêng và lò xuyên vỉa phù hợp với năng lực thiết bị hiện có của mỏ, đồng thời cho phép sử dụng tuyến băng tải liên tục vận chuyển than công suất lớn trực tiếp lên mặt bằng.
4. Kích thước hình học và kết cấu chống giữ của đường lò xuyên vỉa vận tải mức +50 được thiết kế ra sao?
Đường lò có hình dạng vòm một tâm tường thẳng, diện tích đào $S_đ = 23,2$ m², diện tích sử dụng $S_{sd} = 21,2$ m² (chiều rộng trong khung $B_v = 5,2$ m, chiều cao $H = 4,45$ m). Vỏ chống sử dụng vì thép cán SVP-27 với bước chống $0,7$ m/vì, chèn bê tông và giằng thép liên kết.
5. Hộ chiếu khoan nổ mìn cho một chu kỳ đào lò xuyên vỉa mức +50 quy định các thông số vật liệu nổ như thế nào?
Gương lò bố trí 46 lỗ khoan đường kính 40 mm, chiều sâu trung bình 1,62 m (tiến độ đào 1,4 m/chu kỳ). Sử dụng thuốc nổ an toàn mỏ AH.1 với tổng lượng thuốc nạp 47,7 kg/chu kỳ, khởi nổ bằng kíp nổ vi sai an toàn Ấn Độ (IDL) và máy nổ mìn xung điện $\text{IIиB-1/100}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Văn Cường đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật mở vỉa và khai thác than hầm lò cho khu vực mức +125m đến -200m tại mỏ than Nam Mẫu với công suất 2,0 triệu tấn/năm. Thông qua việc phân tích đặc điểm địa chất, cấu trúc 9 vỉa than và tính toán so sánh định lượng giữa 4 phương án mở vỉa, đồ án đã chứng minh phương án cặp giếng nghiêng kết hợp xuyên vỉa từng tầng là giải pháp tối ưu về mặt kinh tế và khả thi về mặt công nghệ. Bản thiết kế cung cấp hệ thống thông số kỹ thuật, hộ chiếu chống giữ bằng vì thép SVP-27 và hộ chiếu nổ mìn chi tiết cho đường lò xuyên vỉa mức +50, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn mỏ hầm lò hiện hành.