Tổng quan luận án

Công nghệ khai thác than hầm lò tại Việt Nam đóng vai trò trọng yếu trong việc cung cấp năng lượng phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Theo Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, tổng sản lượng khai thác than tại các mỏ phấn đấu đạt trên 80 triệu tấn. Tuy nhiên, phần lớn các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh đang khai thác trong điều kiện địa chất phức tạp, biến động lớn về chiều dày và góc dốc vỉa, mật độ phay phá kiến tạo cao và đang có xu hướng khai thác xuống sâu. Tại thời điểm nghiên cứu, sản lượng than khai thác bằng công nghệ cơ giới hóa đồng bộ chỉ chiếm khoảng 3%, trong khi 97% sản lượng toàn ngành vẫn phụ thuộc vào các công nghệ thủ công hoặc bán cơ giới (như khoan nổ mìn, sử dụng giá khung, giá xích).

Trữ lượng than phân bố ở các vỉa dày, dốc thoải và nghiêng (góc dốc nhỏ hơn 35°) tại vùng than Quảng Ninh chiếm tỷ trọng lớn, tương đương 44,41% tổng trữ lượng đã được quy hoạch (tập trung tại các mỏ Hà Lầm, Nam Mẫu, Vàng Danh, Núi Béo, Hạ Long, Khe Chàm, Thống Nhất). Việc triển khai áp dụng cơ giới hóa đồng bộ khai thác hạ trần thu hồi than nóc tại các đơn vị như Công ty than Vàng Danh (từ năm 2008) và Công ty than Nam Mẫu (từ năm 2010) sử dụng tổ hợp giàn chống 1 máng cào cho thấy công suất lò chợ chỉ đạt khoảng 142.000 đến 145.000 tấn/năm (đạt 32% công suất thiết kế 450.000 tấn/năm), tỷ lệ tổn thất than cao (15% đến 31,9%) và giá thành phân xưởng cao gấp 2,6 lần so với lò chợ giá khung, giá xích. Nguyên nhân chính là do chưa làm chủ và xác định phù hợp các thông số công nghệ khai thác tương thích với điều kiện địa chất mỏ. Do đó, việc thực hiện đề tài "Nghiên cứu hoàn thiện một số thông số công nghệ khai thác lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than ở vỉa dày, dốc thoải và nghiêng tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh" mang tính cấp thiết kỹ thuật.

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án được xác định như sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ hợp lý đối với lò chợ cơ giới hoá đồng bộ hạ trần thu hồi than ở vỉa dày thoải và nghiêng tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhằm nâng cao mức độ an toàn lao động và hiệu quả khai thác.
  2. Đối tượng nghiên cứu: Các thông số công nghệ trong lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần thu hồi than nóc, trọng tâm là chiều cao lớp than hạ trần, bước thu hồi than hạ trần và tỷ lệ khấu - hạ trần.
  3. Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Các vỉa than dày (chiều dày vỉa $m > 3,5\text{ m}$), dốc thoải và nghiêng (góc dốc $\alpha < 35^\circ$) tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh; số liệu thực nghiệm và áp dụng thử nghiệm tập trung tại Công ty than Hà Lầm (vỉa 11 và vỉa 7), kết hợp phân tích đối sánh dữ liệu tại Công ty than Vàng Danh và Công ty than Nam Mẫu.
    • Thời gian và dữ liệu: Tập hợp chuỗi số liệu vận hành khai thác thực tế giai đoạn 2008–2017; luận án hoàn thành và bảo vệ năm 2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Theo Quy phạm kỹ thuật khai thác hầm lò than và diệp thạch 18-TCN-5-2006, các vỉa than được phân loại theo chiều dày (rất mỏng $\le 0,7\text{ m}$; mỏng $0,71 \div 1,20\text{ m}$; trung bình $1,21 \div 3,5\text{ m}$; dày $> 3,5\text{ m}$) và theo góc dốc (thoải $< 15^\circ$; nghiêng $15^\circ \div 35^\circ$; dốc nghiêng $35^\circ \div 55^\circ$; dốc đứng $> 55^\circ$). Khoảng 50% trữ lượng than công nghiệp trên thế giới nằm trong các vỉa có chiều dày trên 4 m (tập trung tại Nga, Trung Quốc, Kazakhstan, Ba Lan, Romania, Séc, Úc).

Tác giả luận án đã tổng thuật các hướng nghiên cứu công nghệ khai thác vỉa dày thoải và nghiêng trên thế giới:

  • Tại Nga: Bể than Kuzbass có khoảng 47,8 tỷ tấn trữ lượng vỉa dày thoải đến nghiêng. Các nhà khoa học B.V. Gromov, A.Y. Ermakov, V.I. Kalinin, E.Y. Makhno, I.A. Shundulidi, V.V. Melnik, A.S. Solovyev đã nghiên cứu các quá trình địa cơ học và tương tác giữa vì chống với đất đá vách. Nga đã phát triển tổ hợp KTU-3M (thập niên 1960), tổ hợp KM-8V, KM-130V gắn lưới thép (Viện KuzNIUI), tổ hợp KM-81E, KM-120, 2UKP-5 và 4KM-180 để khai thác vỉa dày bằng phương pháp chia lớp nghiêng hoặc hạ trần.
  • Tại Nam Tư (cũ) và Séc: Mỏ than Velenje (Nam Tư) khai thác vỉa than dày đến 140 m, dốc $6^\circ \div 8^\circ$ bằng sơ đồ chia lớp dày 20 m (mỗi tập 2 lớp), nổ mìn phá than nền với khoảng cách vượt trước $30 \div 90\text{ m}$. Tại Séc, công nghệ "Valenje" khấu lớp dưới 4 m bằng máy liên hợp và khoan nổ mìn hạ trần than nóc từ các lỗ khoan dài đến 17 m.
  • Tại Trung Quốc: Phát triển công nghệ cơ giới hóa hạ trần thu hồi than nóc từ năm 1982 và hoàn thiện mạnh mẽ từ năm 1995 với tổ hợp giàn chống 2 máng cào (như ZF, ZFS). Một số mỏ điển hình gồm: mỏ Jining No.3 (vỉa dày 7 m, khấu 3 m, hạ trần 4 m, sâu 700 m, chiều dài lò chợ 290 m, sản lượng đạt 15.000 tấn/ngày, tổn thất 30%); mỏ Dongtan (vỉa 6 m, khấu $3,0 \div 3,5\text{ m}$, sản lượng 16.000 tấn/ngày, tổn thất 14%); mỏ Gaohe (vỉa 6,5 m, sản lượng 8.000 tấn/ngày); mỏ Tashan (vỉa dày $12 \div 20\text{ m}$, khấu 3,5 m, chiều dài lò chợ 235 m, sản lượng $35.000 \div 50.000\text{ tấn/ngày}$, tổn thất $20% \div 30%$).
  • Tại Úc: Nghiên cứu hệ thống thu hồi than hạ trần từ năm 2003 và áp dụng thành công tại mỏ Austar từ năm 2006.

Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu tiêu biểu liên quan gồm:

  • Luận án tiến sĩ của Phùng Mạnh Đắc: Phân tích quy luật dịch chuyển của than và đất đá trong phễu tháo than, xác định chiều dày lớp than hạ trần, khoảng cách cửa tháo và đề xuất sơ đồ chia lớp hạ trần.
  • Luận án tiến sĩ của Trương Đức Dư: Xác định góc nghiêng gương trần than, khoảng cách cửa tháo và chiều dày vỉa tối đa khi áp dụng giá thủy lực di động.
  • Luận án tiến sĩ của Vũ Thái Tiến Dũng: Nghiên cứu khả năng sập đổ của đá vách, xác định chiều dày lớp than hạ trần và ảnh hưởng của góc mặt trượt trần than ($\beta < \varphi \le 90^\circ$, tối ưu ở mức xấp xỉ $40^\circ$).
  • Nghiên cứu của Lê Như Hùng về sơ đồ nguyên lý tác dụng tương hỗ giữa than sập đổ và đất đá khi tháo than lên máng cào.
  • Quan điểm cơ học dầm conson than nóc của IU. Grômôv.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: Xác định định lượng mối quan hệ giữa chiều dày vỉa than với bước thu hồi than hạ trần ($r_{th}$) và xác định tỷ lệ khấu - hạ trần hợp lý khi vận hành đồng bộ thiết bị cơ giới hóa 2 máng cào (giàn chống tự hành kết hợp máy khấu và 2 tuyến máng cào độc lập) trong điều kiện địa chất vỉa dày, dốc thoải và nghiêng tại vùng than Quảng Ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm

Luận án dựa trên lý thuyết địa cơ học mỏ, lý thuyết dầm conson ngắn trong cơ học kết cấu và cơ học phá hủy đàn - dẻo:

  • Phân vùng ứng suất và biến dạng than nóc: Khi lò chợ tiến, dưới tác động của áp lực tựa phía trước và tải trọng đá vách, than nóc trải qua 4 vùng biến dạng liên tiếp gồm: Vùng hoàn chỉnh / biến dạng đàn hồi (Vùng I), Vùng phát triển phá hủy / biến dạng dẻo (Vùng II), Vùng phát triển nứt gãy / dỡ tải trên nóc giàn chống (Vùng III), và Vùng sập đổ vỡ vụn tại cửa tháo than phía sau (Vùng IV, gồm sập đổ lần đầu $\text{IV}_1$ và sập đổ cuối cùng $\text{IV}_2$).
  • Cơ chế hình thành vòm/bán vòm sập đổ: Khi chiều dày than nóc tăng quá giới hạn, khối than sập đổ tạo thành hình elip lệch hướng về phía không gian đã khai thác, giới hạn chiều cao than có thể tự chảy về cửa tháo.
  • Cơ chế mặt trượt nhân tạo/tự nhiên: Góc nghiêng mặt trượt trần than ($\varphi$) quyết định hướng chuyển dịch của than nóc vào máng cào sau hoặc rơi vào khu vực đá phá hỏa.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp bốn phương pháp nghiên cứu:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thiết lập các mô hình tính toán áp lực mỏ, sự uốn gãy dầm trần than, quy luật dịch chuyển của phễu tháo than và tương tác giữa vì chống tự hành với đá vách.
  2. Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Phase 2 để giải bài toán cơ học đá phi tuyến đàn hồi - dẻo. Mô hình số được kiểm chứng độ chính xác thông qua so sánh với lời giải giải tích đường hầm trong môi trường đàn - dẻo không giãn nở thể tích ($\psi = 0^\circ$). Mô phỏng số được tiến hành để phân tích trạng thái ứng suất, chuyển vị và vùng phá hủy tương ứng với các bước thu hồi ($r_{th} = 0,63\text{ m}$; $1,26\text{ m}$; $1,89\text{ m}$) và các tỷ lệ khấu - hạ trần khác nhau trên các chiều dày vỉa 10 m, 15 m và 20 m.
  3. Phương pháp khảo sát, đo đạc thực tế hiện trường: Thu thập dữ liệu địa kỹ thuật, quan trắc áp lực mỏ lên giàn chống, tốc độ tiến gương, hiện tượng lở gương tụt nóc, ngập nước và đá trụ nổi tại lò chợ cơ giới hóa vỉa 11 (dây chuyền 1) và vỉa 7 (dây chuyền 2) Công ty than Hà Lầm, mỏ Vàng Danh và mỏ Nam Mẫu.
  4. Phương pháp thống kê, phân tích và so sánh kinh tế - kỹ thuật: Phân tích định lượng sản lượng khai thác tháng/năm, năng suất lao động (tấn/công), tỷ lệ thu hồi than sạch, mức độ tổn thất và chi phí giá thành phân xưởng giữa các công nghệ.

Nguồn dữ liệu

Số liệu địa chất, lỗ khoan thăm dò, số liệu trắc địa, báo cáo nghiệm thu sản lượng và biểu đồ áp lực mỏ do Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin, Công ty Cổ phần than Hà Lầm, Công ty than Vàng Danh và Công ty than Nam Mẫu cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan kinh nghiệm khai thác lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ ở các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng trong nước và trên thế giới

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở thực tiễn áp dụng cơ giới hóa khai thác vỉa dày trong nước và quốc tế. Trữ lượng vỉa dày, dốc thoải đến nghiêng tại các mỏ lớn vùng Quảng Ninh đạt 280 triệu tấn trên tổng số 630 triệu tấn trữ lượng toàn mỏ (chiếm 44,41%), tập trung nhiều nhất tại Hà Lầm, Núi Béo và Hạ Long.

Đơn vị mỏ áp dụng Chủng loại thiết bị chính Thông số công nghệ ($h_{\text{khấu}} \times h_{\text{hạ}} \times r_{\text{th}}$) Sản lượng trung bình NSLĐ trung bình Tỷ lệ thu hồi / Tổn thất
Vàng Danh (2008–2013) Giàn Vinaalta (30–80 giàn), máy MB-450E / MG-200W1, 1 máng cào $2,5 \div 2,8\text{ m} \times 4,7 \div 5,0\text{ m} \times 0,63 \div 0,8\text{ m}$ 145.673 tấn/năm (12.139 tấn/tháng) 9,5 tấn/công Thu hồi: 76,6% (Tổn thất: $15 \div 20%$)
Nam Mẫu (2010–2015) Giàn Vinaalta, máy khấu, 1 máng cào $2,8\text{ m} \times 3,9\text{ m} \times 0,8\text{ m}$ 142.486 tấn/năm (11.847 tấn/tháng) 7,2 tấn/công Thu hồi: 68,1%–85% (Tổn thất: $22,3 \div 31,9%$)
Hà Lầm - Vỉa 11 (Dây chuyền 1) Giàn ZF4400/16/28 (67 giàn) + ZFG4800/18/28 (6 giàn), máy MG150/375-W, 2 máng cào $2,5\text{ m} \times 5,5\text{ m} \times 0,63\text{ m}$ Công suất thiết kế 600.000 tấn/năm 19,6 tấn/công (bình quân) Thu hồi: 81,4% (thay đổi $65 \div 94,23%$)
Hà Lầm - Vỉa 7 (Dây chuyền 2) Tổ hợp giàn chống 2 máng cào, máng cào sau đặt trên nền lò $2,8\text{ m} \times 15,07\text{ m} \times 0,63\text{ m}$ Công suất thiết kế 1,2 triệu tấn/năm Đạt cao, sản lượng tháng cực đại 83.946 tấn Thu hồi: 86,0%

Phân tích các hạn chế của công nghệ 1 máng cào tại Vàng Danh và Nam Mẫu:

  • Giá thành phân xưởng một tấn than của lò chợ cơ giới hóa Vinaalta lên tới 703.000 đồng/tấn, cao gấp 2,6 lần so với lò chợ giá khung, giá xích (266.800 đồng/tấn), do chi phí khấu hao cơ bản (291.000 đồng/tấn so với 0 đồng) và chi phí vật liệu, động lực cao trong khi sản lượng năm chỉ đạt xấp xỉ 142.000–145.000 tấn/năm.
  • Các nguyên nhân địa chất kỹ thuật làm gián đoạn sản xuất gồm: góc dốc lò chợ lớn hơn $20^\circ$ gây trôi trượt giàn và máy khấu; đá kẹp phân lớp dày $0,4 \div 0,8\text{ m}$ có độ kiên cố cao máy khấu không cắt được phải nổ mìn; đá trụ nổi cục bộ cao từ $0,3\text{ m}$ đến $2,6\text{ m}$; lưu lượng nước chảy vào lò chợ mùa mưa lớn (lên tới $394\text{ m}^3\text{/h}$ tại Vàng Danh) gây cháy động cơ điện, ăn mòn axit và tụt lở than ngậm nước; lò chợ phải khấu vượt thượng và khấu vê góc quay lớn từ $35^\circ \div 70^\circ$.

Chương 1 tổng hợp bảng so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa hệ thống khai thác chia lớp nghiêng và hệ thống khai thác lò chợ trụ hạ trần than nóc đối với vỉa dày đến 7 m và vỉa dày trên 7 m, khẳng định hệ thống hạ trần sử dụng tổ hợp cơ giới 2 máng cào là giải pháp phù hợp nhất cho điều kiện mỏ Hà Lầm.

Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố địa chất - kỹ thuật mỏ đến quá trình thu hồi than nóc

Chương 2 tập trung phân tích bản chất cơ học của quá trình dịch chuyển và phá hủy than nóc cùng các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số thu hồi than:

  • Quy luật dịch chuyển than nóc: Áp lực tựa phía trước nén ép khối than hình thành vùng phá hủy ban đầu. Khi vượt qua gương vào vùng điều khiển của giàn chống, tác động chống giữ - dỡ tải lặp chu kỳ làm than nứt nẻ và vỡ vụn. Tại đuôi xà giàn chống (Vùng IV), than nóc sập đổ theo dạng vòm hoặc bán vòm.
  • Yếu tố kiến tạo: Mật độ đứt gãy cao chia cắt vỉa than; khoảng 27% trữ lượng thuộc khu vực hình tam giác gây khó khăn cho việc bố trí lò chợ dài. Tuy nhiên, đứt gãy kiến tạo làm giảm độ gắn kết của đá vách cát kết/bột kết cứng (cường độ kháng nén $400 \div 800\text{ kG/cm}^2$), giúp đá vách dễ sập đổ hơn sau khi tháo than.
  • Tính chất đá vách: Đá vách trực tiếp dễ sập đổ tạo thành mặt trượt góc $50^\circ \div 55^\circ$ che chắn đá phá hỏa, dẫn dòng than hạ trần vào máng cào và giảm tổn thất. Ngược lại, khi đá vách cứng vững treo dầm ngàm với bước sập đổ chu kỳ $6 \div 7\text{ m}$, áp lực tựa tập trung cao gây nén bẹp gương lò, rỗng nóc, tụt lở cục bộ và tổn thất than có thể vượt quá 50%.
  • Chiều dày vỉa và lớp than hạ trần: Chiều dày trần than đóng vai trò như dầm conson. Khi lớp hạ trần quá mỏng sát vách cứng, than mềm dễ vỡ vụn gây rỗng nóc; khi vỉa than rất dày ($m > 6\text{ m}$ đến hàng chục mét), chiều cao sập đổ tự do bị giới hạn bởi vòm sập đổ $M_2$, phần than phía trên đỉnh vòm không thể tự sập vào cửa tháo, làm gia tăng tổn thất.
  • Bước hạ trần than ($r_{th}$): Bước hạ trần quyết định khoảng cách giữa hai chu kỳ tháo than. Bước quá lớn làm tăng khối lượng than sập một lần nhưng dễ lẫn đá phá hỏa và gây tắc cửa tháo; bước quá nhỏ làm hạn chế chiều cao sập đổ tự nhiên của trần than.
  • Góc nghiêng mặt trượt gương trần than ($\varphi$): Hiệu quả thu hồi đạt tối ưu khi góc nghiêng trần than hướng về phía trước lò chợ thỏa mãn điều kiện $\beta < \varphi \le 90^\circ$ (trong đó $\beta$ là góc dốc tự nhiên của đống than vỡ). Khi giảm góc nghiêng từ $90^\circ$ xuống $40^\circ$, tổn thất than giảm từ 2,5 đến 3 lần đối với điều kiện vách treo.
  • Kết cấu giàn chống và vị trí cửa tháo than: Giàn chống có cửa tháo than hạ thấp phía sau (sử dụng 2 tuyến máng cào, có dầm chắn động tạo rung) có ưu thế vượt trội so với giàn cửa tháo phía trên (1 máng cào) và cửa tháo ở giữa. Kết cấu này tách biệt hoàn toàn luồng than khấu gương và luồng than hạ trần, giảm phát sinh bụi, mở rộng không gian tháo than cục lớn và nâng cao tỷ lệ thu hồi than sạch.
  • Góc dốc vỉa: Thiết bị cơ giới hóa đồng bộ vận hành ổn định trong điều kiện góc dốc lò chợ nhỏ hơn $18^\circ \div 20^\circ$ và góc dốc theo phương khấu nhỏ hơn $15^\circ$. Góc dốc lớn hơn giới hạn này làm trôi trượt giàn chống, lệch tuyến máng cào và mất ổn định máy khấu.

Chương 3: Hoàn thiện một số thông số công nghệ khai thác lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than ở vỉa dày, thoải và nghiêng vùng Quảng Ninh

Chương 3 triển khai mô hình hóa số bằng phần mềm Phase 2 nhằm xác lập các quy luật địa cơ học và lựa chọn thông số công nghệ tối ưu:

  • Thiết lập mô hình số: Mô hình hóa bài toán lò chợ khai thác trong khối đá vách - than - đá trụ với các thông số địa chất đầu vào đại diện cho mỏ than Quảng Ninh. Kết quả mô phỏng thể hiện rõ trường phân bố ứng suất chính, chuyển vị tổng cộng và phạm vi vùng phá hủy dẻo phía trước và sau giàn chống.

  • Nghiên cứu ảnh hưởng của bước thu hồi than hạ trần ($r_{th}$): Tác giả khảo sát 3 mức bước hạ trần: $r_{th} = r = 0,63\text{ m}$ (1 lần tiến độ khấu); $r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$ (2 lần tiến độ khấu); $r_{th} = 3r = 1,89\text{ m}$ (3 lần tiến độ khấu) ứng với các mô hình vỉa dày 10 m, 15 m và 20 m (chiều cao khấu gương $2,8\text{ m} \div 3,0\text{ m}$).

    Kết quả mô phỏng và thống kê số liệu chỉ ra rằng:

    • Đối với vỉa than có chiều dày nhỏ hơn 13 m (mô hình vỉa 10 m): Tỷ lệ thu hồi than nóc đạt cao nhất và mức tổn thất nhỏ nhất khi áp dụng bước hạ trần $r_{th} = r = 0,63\text{ m}$.
    • Đối với vỉa than có chiều dày lớn hơn 13 m (mô hình vỉa 15 m và 20 m): Bước hạ trần $r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$ tạo điều kiện cho vòm sập đổ phát triển đầy đủ, dòng than hạ trần chảy liên tục và đạt tỷ lệ thu hồi cao nhất.
    • Bước hạ trần $r_{th} = 3r = 1,89\text{ m}$ ở mọi chiều dày đều làm tăng nguy cơ đất đá phá hỏa tràn vào sớm, gây tắc cửa tháo và tăng tổn thất than.

  • Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ khấu - hạ trần ($k = h_{\text{khấu}} : h_{\text{hạ}}$): Khảo sát biến thiên tỷ lệ khấu - hạ trần qua các dải giá trị: 1:2,1; 1:2,5; 1:3; 1:3,7; 1:4,3; 1:5; 1:5,2; 1:6,1; 1:7. Phân tích đồ thị chuyển vị và khả năng sập đổ cho thấy: Khi tỷ lệ khấu - hạ trần tiệm cận giá trị lý tưởng 1:2,5, áp lực mỏ tác động lên lớp than nóc đạt trạng thái tối ưu để tự phá vỡ mà không gây quá tải phá hủy lên giàn chống, tỷ lệ thu hồi than hạ trần đạt giá trị cực đại. Khi tỷ lệ hạ trần quá lớn (ví dụ 1:6 đến 1:7), lớp than nóc phía trên bị nén chặt thành vòm cứng khó sập, dẫn đến tổn thất than gia tăng.

Chương 4: Xác định thông số công nghệ khai thác lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than ở vỉa dày, thoải và nghiêng tại một điều kiện cụ thể

Chương 4 kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô hình số vào điều kiện thực tế tại lò chợ cơ giới hóa vỉa 7 Công ty than Hà Lầm:

  • Đặc điểm khu vực thử nghiệm: Vỉa 7 mỏ Hà Lầm có chiều dày vỉa biến động từ $2,35\text{ m}$ đến $30,24\text{ m}$ (trung bình toàn khu vực $18,56\text{ m}$; trung bình diện khai thác $18,9\text{ m}$), góc dốc vỉa $2^\circ \div 25^\circ$. Lò chợ 7-2 có chiều dài 154 m, chiều dài theo phương 750 m.
  • Thử nghiệm bước thu hồi than hạ trần: Áp dụng các bước hạ trần $r_{th} = 0,63\text{ m}$; $1,26\text{ m}$ và $1,89\text{ m}$. Kết quả thống kê sản lượng khai thác và tỷ lệ thu hồi thực tế khẳng định: Với chiều dày vỉa 7 mỏ Hà Lầm ($m \approx 18,9\text{ m} > 13\text{ m}$), việc áp dụng bước thu hồi than hạ trần $r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$ mang lại sản lượng lò chợ ổn định nhất, tỷ lệ thu hồi than đạt trên 86% và giảm thiểu hiện tượng tắc cửa tháo than phía sau.
  • Thử nghiệm tỷ lệ khấu - hạ trần: Thử nghiệm 3 chế độ chiều cao khấu gương:
    • Chiều cao khấu $2,5\text{ m}$ (tương ứng tỷ lệ khấu - hạ trần $1:6,95$);
    • Chiều cao khấu $2,8\text{ m}$ (tương ứng tỷ lệ khấu - hạ trần $1:5,68$);
    • Chiều cao khấu $3,2\text{ m}$ (tương ứng tỷ lệ khấu - hạ trần $1:4,84$).

Dữ liệu khai thác thực nghiệm cho thấy khi tăng chiều cao khấu gương lên 3,2 m (đưa tỷ lệ khấu - hạ trần dần về gần mức tối ưu), khả năng dịch chuyển và tự vỡ của lớp than hạ trần được cải thiện rõ rệt, năng suất lò chợ và sản lượng thu hồi tăng, đồng thời giảm hiện tượng lở gương tụt nóc. Kết quả thực tế tại mỏ than Hà Lầm đã kiểm chứng tính đúng đắn của các luận điểm khoa học đề ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Xác định miền áp dụng bước thu hồi than hạ trần ($r_{th}$): Luận án xác lập được cơ sở khoa học và định lượng bước thu hồi than hạ trần phân theo ngưỡng chiều dày vỉa than trong lò chợ cơ giới hóa đồng bộ:
    • Khi chiều dày vỉa than $m < 13\text{ m}$: Áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng bước khấu gương ($r_{th} = r = 0,63\text{ m}$) cho hiệu quả thu hồi than cao nhất và tổn thất thấp nhất.
    • Khi chiều dày vỉa than $m > 13\text{ m}$: Áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng 2 lần bước khấu gương ($r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$) mang lại hiệu quả khai thác tối ưu.
  2. Xác định miền áp dụng tỷ lệ khấu - hạ trần: Luận án xác định được tỷ lệ khấu - hạ trần tương quan thực nghiệm tối ưu là 1:2,5. Đây là tỷ lệ giúp quá trình tự phá hủy của than nóc diễn ra thuận lợi dưới tác dụng của áp lực mỏ, tối đa hóa tỷ lệ thu hồi than hạ trần và hạn chế tải trọng động lên hệ thống giàn chống.
  3. Hoàn thiện giải pháp công nghệ đồng bộ: Đề xuất sơ đồ công nghệ khai thác hạ trần sử dụng tổ hợp giàn chống 2 máng cào độc lập (máng cào sau đặt thấp dưới nền lò), kết hợp điều khiển góc nghiêng mặt trượt than nóc ($\varphi \approx 40^\circ$) để áp dụng cho các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đối với các diện vỉa dày có góc dốc lớn hơn $18^\circ \div 20^\circ$, cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật định hướng tuyến khấu, căn chỉnh giàn chống và chống trôi trượt máng cào.
  • Với các vỉa than xuất hiện đá kẹp dày và cứng vượt quá khả năng cắt của máy khấu hoặc đá vách treo dầm ngàm khó sập, cần kết hợp khoan nổ mìn làm yếu sơ bộ trước khi khấu gương và hạ trần than.
  • Cần đồng bộ hóa công suất tuyến vận tải phụ trợ (băng tải, thượng tháo than) và hệ thống thoát nước hầm lò tương thích với năng lực khai thác của lò chợ cơ giới hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế của luận án được tập trung chủ yếu tại mỏ than Hà Lầm cho các vỉa than dốc thoải và nghiêng ($\alpha < 35^\circ$), chưa bao quát điều kiện các vỉa dốc nghiêng lớn và dốc đứng ($\alpha > 35^\circ$). Bên cạnh đó, các yếu tố địa chất thủy văn phức tạp (lưu lượng nước ngầm lớn mang tính axit cao) và đá kẹp biến động mạnh mới được đánh giá ở mức định tính qua khảo nghiệm thực tế, chưa được tích hợp hoàn toàn trong mô hình số Phase 2.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng nghiên cứu hoàn thiện thông số công nghệ cơ giới hóa cho các vỉa than có góc dốc lớn hơn $35^\circ$.
    • Nghiên cứu cơ chế và giải pháp công nghệ phá vỡ đá kẹp kiên cố kết hợp cơ giới hóa trong không gian lò chợ hẹp.
    • Nghiên cứu mô hình số không gian 3D tương tác giữa áp lực nước lỗ rỗng và trường ứng suất mỏ trong điều kiện khai thác xuống sâu dưới mức -300 m.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật và học thuật chuyên sâu cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Khai thác mỏ, Địa kỹ thuật công trình: Tham khảo phương pháp ứng dụng phần mềm mô phỏng số Phase 2 trong phân tích bài toán đàn - dẻo địa cơ học mỏ, lý thuyết phân vùng biến dạng than nóc và phương pháp luận thiết lập thông số công nghệ lò chợ hạ trần.
  • Kỹ sư công nghệ, chuyên viên thiết kế mỏ tại Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) và các viện nghiên cứu chuyên ngành: Ứng dụng trực tiếp quy tắc chọn bước hạ trần ($r_{th} = r$ khi $m < 13\text{ m}$; $r_{th} = 2r$ khi $m > 13\text{ m}$) và tỷ lệ khấu - hạ trần (hướng tới mức 1:2,5) khi lập hộ chiếu khai thác và thiết kế kỹ thuật cho các lò chợ cơ giới hóa.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các công ty than hầm lò (Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu, Núi Béo, Hạ Long...): Tham khảo các bài học kinh nghiệm xử lý sự cố trôi trượt giàn chống, đá trụ nổi, đá kẹp và nước chảy vào lò chợ nhằm nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn lao động.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công nghệ cơ giới hóa hạ trần sử dụng giàn chống 1 máng cào tại Vàng Danh và Nam Mẫu chưa đạt hiệu quả kinh tế cao?

Công nghệ 1 máng cào dùng chung tuyến vận chuyển cho cả than khấu gương và than hạ trần. Cửa tháo than bố trí phía trên cao làm than hạ trần dễ rơi vào vùng phá hỏa gây tổn thất lớn ($15% \div 31,9%$), phát sinh nhiều bụi và làm gián đoạn lối đi lại. Ngoài ra, các sự cố địa chất như đá kẹp dày, đá trụ nổi, nước dột lưu lượng lớn (đến $394\text{ m}^3\text{/h}$) và việc phải khấu vê lò chợ làm tăng thời gian dừng lò, khiến công suất chỉ đạt 32% thiết kế và giá thành phân xưởng cao gấp 2,6 lần lò chợ thủ công.

2. Quá trình biến dạng và dịch chuyển của than nóc trong lò chợ hạ trần được chia thành những vùng nào?

Dưới tác động của áp lực mỏ, than nóc phân thành 4 vùng cơ học liên tiếp từ trước gương ra sau phá hỏa:

  • Vùng I (Vùng biến dạng đàn hồi): Nằm sâu phía trước gương than nguyên khối, ứng suất nén ép nhỏ, than chưa xuất hiện nứt nẻ rõ rệt.
  • Vùng II (Vùng biến dạng dẻo): Nằm từ điểm cực đại áp lực tựa đến gương lò chợ, than bị nứt nẻ ngang và biến dạng dẻo mạnh.
  • Vùng III (Vùng phát triển nứt gãy): Nằm trực tiếp trên nóc giàn chống, than nóc bị dỡ tải và vỡ vụn từng phần theo chu kỳ di chuyển giàn.
  • Vùng IV (Vùng sập đổ vỡ vụn): Nằm phía sau đuôi xà và trên cửa tháo than, than sập đổ hoàn toàn thành đống để chảy vào máng cào thu hồi (gồm sập đổ lần đầu $\text{IV}_1$ và sập đổ cuối cùng $\text{IV}_2$).

3. Quy tắc xác định bước thu hồi than hạ trần ($r_{th}$) theo chiều dày vỉa than được luận án đưa ra như thế nào?

Luận án kết luận:

  • Với các vỉa than dày nhỏ hơn 13 m: Bước thu hồi than hạ trần tối ưu bằng 1 lần bước khấu gương ($r_{th} = r = 0,63\text{ m}$).
  • Với các vỉa than dày lớn hơn 13 m: Bước thu hồi than hạ trần tối ưu bằng 2 lần bước khấu gương ($r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$). Áp dụng bước $r_{th} = 3r = 1,89\text{ m}$ ở mọi chiều dày đều làm tăng tổn thất than do đất đá phá hỏa tràn vào sớm chèn lấp cửa tháo.

4. Góc nghiêng mặt trượt trần than ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất than nóc?

Khi góc nghiêng mặt trượt trần than hướng về phía trước lò chợ đạt giá trị $\beta < \varphi \le 90^\circ$ (với $\beta$ là góc dốc tự nhiên của than vỡ vụn), than sập đổ sẽ trượt theo xà giàn chống chảy thẳng vào máng cào. Khi giảm góc $\varphi$ từ $90^\circ$ xuống khoảng $40^\circ$, mức độ tổn thất than giảm từ 2,5 đến 3 lần trong điều kiện đá vách treo. Ngược lại, nếu trần than nghiêng về phía phá hỏa, than sập đổ sẽ bị lẫn vào đất đá vách sập và làm tăng tổn thất khai thác.

5. Tỷ lệ khấu - hạ trần tối ưu được luận án xác lập là bao nhiêu?

Qua phân tích mô hình số Phase 2 và kiểm chứng thực nghiệm tại mỏ Hà Lầm, tỷ lệ khấu - hạ trần tối ưu về mặt địa cơ học đạt giá trị lý tưởng là 1:2,5. Tại tỷ lệ này, lớp than nóc phát huy tốt nhất khả năng tự phá vỡ dưới áp lực mỏ, dòng than sập đổ đều đặn vào máng cào sau và giảm thiểu tối đa hiện tượng nén bẹp gương lò cũng như rỗng nóc cục bộ.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nông Việt Hùng đã giải quyết thành công bài toán xác định các thông số công nghệ cốt lõi cho lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần thu hồi than nóc ở vỉa dày, dốc thoải và nghiêng tại vùng than Quảng Ninh. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý thuyết địa cơ học, mô phỏng số Phase 2 và kiểm nghiệm thực tế tại Công ty than Hà Lầm, công trình đã xác lập được miền áp dụng bước hạ trần hợp lý ($r_{th} = r$ khi $m < 13\text{ m}$ và $r_{th} = 2r$ khi $m > 13\text{ m}$) cùng tỷ lệ khấu - hạ trần tối ưu 1:2,5. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu hiện đại hóa và nâng cao hiệu quả khai thác than hầm lò tại Việt Nam.