Tổng quan luận án

Công nghiệp khai khoáng giữ vị trí then chốt trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam. Bên cạnh dầu thô, than và khí tự nhiên, khoáng sản rắn, đặc biệt là quặng sắt, đóng vai trò nguồn nguyên liệu cơ bản cho ngành luyện kim và chế tạo. Theo số liệu thăm dò địa chất, lãnh thổ Việt Nam đã ghi nhận 216 mỏ và điểm quặng sắt với tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo đạt xấp xỉ 1,2 tỷ tấn, tập trung chủ yếu tại các khu vực Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ.

Nhằm định hướng phát triển ngành khai khoáng, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Quy hoạch thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng sắt đến năm 2010, định hướng đến năm 2020" theo Quyết định số 124/2006/QĐ-TTg ngày 30/5/2006. Quy hoạch đặt ra yêu cầu mở rộng quy mô khai thác tại các mỏ đang hoạt động (như Trại Cau, Nà Lũng, Kíp Tước) và đầu tư phát triển các mỏ quy mô lớn (như Thạch Khê, Quý Xa, Nà Rụa, Tiến Bộ, Tùng Bá). Tuy nhiên, hầu hết các khoáng sàng quặng sắt lộ thiên của Việt Nam đều có cấu trúc địa chất, địa chất công trình (ĐCCT) và địa chất thủy văn (ĐCTV) phức tạp:

  • Tầng phủ chứa nhiều trầm tích Đệ tứ, Neogen, tàn tích bở rời, bùn sét, cát bão hòa nước gây hiện tượng sạt lở, bùn lầy trong mùa mưa nhiệt đới.
  • Các vỉa quặng gốc có thế nằm cắm dốc ($30^\circ \div 65^\circ$), chiều dày biến động, xen kẹp nhiều lớp đá kẹp có độ bền cao.
  • Địa tầng chứa quặng xuất hiện nhiều hang karst ngầm và áp lực nước lớn khi khai trường phát triển sâu dưới mức thoát nước tự chảy (chiều sâu khai thác có thể đạt từ 150 m đến 550 m).

Thực tế sản xuất tại các mỏ lộ thiên thời gian qua bộc lộ nhiều hạn chế: quy mô khai thác nhỏ lẻ, thiết bị cũ và thiếu đồng bộ, thông số hệ thống khai thác (HTKT) bị phá vỡ (chập tầng, góc nghiêng bờ công tác vượt thiết kế, dốc đường vận tải lớn), tỷ lệ tổn thất và làm nghèo quặng cao. Khoảng trống nghiên cứu lớn nhất là thiếu một hệ thống giải pháp công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị (ĐBTB) hoàn chỉnh, có cơ sở khoa học để áp dụng cho điều kiện đặc thù dưới mức thoát nước tự chảy và nền đất đá yếu.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khai thác mỏ (mã số: 62520603) của nghiên cứu sinh Lưu Văn Thực, thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của NGƯT.TS Hồ Sĩ Giao (năm 2014), tập trung giải quyết toàn diện khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích các đặc điểm tự nhiên của các khoáng sàng quặng sắt lộ thiên, lựa chọn sơ đồ công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải phù hợp cho các mỏ khai thác dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp ở Việt Nam nói chung và tính toán áp dụng cụ thể cho mỏ quặng sắt Thạch Khê nói riêng, nhằm đảm bảo sản lượng và nâng cao hiệu quả kỹ thuật - kinh tế.

Luận điểm bảo vệ

  1. Ngoài quy mô sản lượng yêu cầu, các đặc điểm tự nhiên như nguồn gốc thành tạo, tính chất cơ lý đất đá và điều kiện ĐCTV là cơ sở cốt lõi để lựa chọn công nghệ khai thác và ĐBTB sử dụng cho mỏ lộ thiên.
  2. Khai thác dưới mức thoát nước tự chảy và điều kiện ĐCTV phức tạp là các yếu tố quyết định đến góc nghiêng bờ công tác trên mỏ lộ thiên.
  3. Để giảm tổn thất và làm nghèo quặng khi khai thác lộ thiên dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện tự nhiên phức tạp, bắt buộc phải áp dụng các sơ đồ công nghệ khai thác chọn lọc phù hợp.
  4. Đối với điều kiện khai thác trên nền đất yếu, trong ĐBTB (máy xúc - ô tô) sử dụng cho mỏ lộ thiên, thiết bị vận tải (ô tô) phải là đối tượng được ưu tiên lựa chọn đầu tiên.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ khai thác, thông số hệ thống khai thác và đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải tại các mỏ quặng sắt lộ thiên hoạt động dưới mức thoát nước tự chảy có điều kiện địa chất, ĐCCT và ĐCTV phức tạp ở Việt Nam.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Tập trung nghiên cứu hệ thống các mỏ quặng sắt lộ thiên tại miền Bắc và Bắc Trung Bộ Việt Nam (Nà Lũng, Nà Rụa, Trại Cau, Tiến Bộ, Quý Xa, Kíp Tước, Tùng Bá...), trong đó đi sâu tính toán thực tế tại mỏ quặng sắt Thạch Khê (Hà Tĩnh). Các dữ liệu phân tích và quy hoạch được khảo sát từ giai đoạn 2006 đến thời điểm bảo vệ luận án năm 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa và phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến công nghệ khai thác mỏ lộ thiên:

Các nghiên cứu trong nước

  • Công ty Cổ phần tư vấn đầu tư Mỏ và Công nghiệp - TKV (2007): Báo cáo thử nghiệm thi công trên nền cát và sét tại mỏ Thạch Khê, bước đầu xác định khả năng làm việc của máy xúc thủy lực gầu ngược (MXTLGN) dung tích gầu đến 2,5 $\text{m}^3$ và ô tô tải trọng đến 27 tấn.
  • Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin (2008): Đánh giá phương án thử nghiệm công nghệ giai đoạn I tại mỏ Thạch Khê; chỉ ra sự suy giảm góc dốc sườn tầng cát theo thời gian dưới tác động của nước ngầm (từ $42^\circ \div 47^\circ$ xuống $29^\circ \div 30^\circ$) và hiệu quả của ô tô khung động HM400-2R (36,5 tấn) trên nền đất yếu.
  • Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin (2009, 2010): Đề tài cấp Bộ nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan nổ mìn (KNM) và công nghệ khai thác các mỏ quặng sắt gốc lộ thiên Việt Nam.
  • Lưu Văn Thực (2010, 2012–2013): Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác chọn lọc các mỏ quặng sắt lộ thiên và đề xuất các giải pháp cơ giới hóa đồng bộ dây chuyền khai thác - tuyển cho các mỏ quặng sắt quy mô nhỏ phía Bắc.
  • Hoàng Văn Liễu (1996): Đề xuất sơ đồ khai thác chọn lọc cho quặng Apatit Lào Cai bằng máy xúc thủy lực kết hợp máy xúc EKG-4,6.
  • Lê Đức Phương (2004), Bùi Xuân Nam (2005), Lê Thị Thu Hoa (2012): Nghiên cứu các thông số công nghệ của máy xúc thủy lực gầu ngược, sơ đồ xúc chọn lọc áp dụng cho các vỉa than mỏng, cấu trúc phức tạp vùng than Quảng Ninh.
  • Hồ Sĩ Giao: Các công trình nghiên cứu lý thuyết HTKT đáy mỏ hai cấp và quản lý bờ công tác cho các mỏ than lộ thiên.

Các nghiên cứu quốc tế

  • Liên Xô (cũ) và Liên bang Nga: V.V. Rzhevsky (phân loại HTKT mỏ lộ thiên); B.P. Yumatov (1973 - khai thác mỏ kim loại màu cấu trúc phức tạp); Astafiev (mô hình toán tối ưu hóa lập kế hoạch khai thác mỏ quặng sắt); V.P. Neganov (công nghệ nổ mìn và bóc tách quặng vàng); Cadicaep (khai thác đồng thời lộ thiên - hầm lò và tổ hợp nghiền đập di động).
  • Kinh nghiệm các quốc gia khai thác quặng lớn: Hoa Kỳ, Canada, Australia, Nam Phi, Brazil trong việc ứng dụng ĐBTB công suất lớn (máy khoan đường kính $200 \div 406\text{ mm}$, máy xúc dung tích gầu $8 \div 20\text{ m}^3$, ô tô tải trọng $75 \div 180\text{ tấn}$), nổ mìn vi sai phi điện toàn phần và HTKT góc nghiêng bờ công tác lớn.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Các công trình quốc tế chủ yếu áp dụng cho mỏ có quy mô rất lớn, điều kiện địa chất đồng nhất và nằm trên mức thoát nước tự chảy. Các nghiên cứu trong nước trước đó tập trung chủ yếu vào ngành than hoặc khoáng sản apatit, nơi đất đá không yêu cầu khoan nổ mìn phức tạp hoặc không có tầng đất phủ ngập nước dày. Luận án của Lưu Văn Thực là công trình đầu tiên nghiên cứu tổng thể và có hệ thống về công nghệ đào sâu đáy mỏ hai cấp, công nghệ khai thác góc bờ công tác lớn, sơ đồ khoan nổ mìn - xúc bốc chọn lọc quặng sắt gốc nhiều lớp đá kẹp, và quy trình chọn ĐBTB trên nền đất yếu dưới mức thoát nước tự chảy tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết hệ thống khai thác mỏ lộ thiên: Dựa trên phân loại HTKT của Giáo sư Viện sĩ V.V. Rzhevsky (nhóm HTKT không xuống sâu A và nhóm xuống sâu B), luận án phát triển các biến thể công nghệ thích nghi với điều kiện địa chất - mỏ Việt Nam.
  • Cơ học đất đá và ổn định bờ mỏ: Nguyên lý tính toán ổn định bờ công tác, biến dạng sườn tầng dưới tác động của áp lực nước ngầm và rung chấn nổ mìn; xác định góc dốc bờ công tác giới hạn theo hệ số dự trữ ổn định ($n$).
  • Lý thuyết tương tác cơ học Bánh xe - Nền đất: Đánh giá độ chịu tải của nền đất yếu, áp lực tiếp xúc của bánh lốp ô tô, độ lún vệt bánh xe và ứng suất tự nhiên trong các lớp địa tầng Đệ tứ và Neogen.
  • Lý thuyết tổn thất và làm nghèo khoáng sản: Các mô hình hình học - công nghệ xác định ranh giới tiếp xúc giữa quặng và đá kẹp/đá vách/đá trụ trong quá trình khoan nổ mìn và xúc bốc.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu chuyên ngành:

  • Phương pháp kế thừa và tổng hợp: Phân tích các tài liệu thăm dò địa chất, báo cáo thiết kế khai thác và kết quả thi công thử nghiệm thực tế tại các mỏ sắt.
  • Phương pháp giải tích và mô hình hóa toán học: Xây dựng các thuật toán, mô hình giải tích xác định thông số công nghệ đào sâu, góc nghiêng bờ công tác tối ưu và chiều cao xúc chọn lọc.
  • Phương pháp chuyên gia và so sánh: Đánh giá, phân nhóm mỏ theo mức độ phức tạp; lựa chọn ĐBTB dựa trên ma trận tiêu chí kỹ thuật - kinh tế.
  • Công cụ tính toán: Xây dựng và ứng dụng các chương trình phần mềm chuyên dụng để tự động hóa tính toán chiều cao xúc chọn lọc của MXTLGN và tối ưu hóa tổ hợp máy xúc - ô tô.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Cơ sở dữ liệu về 216 mỏ và điểm quặng sắt thuộc 11 tỉnh thành trên toàn quốc (Sơn La, Lào Cai, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Bắc Giang, Quảng Ninh, Phú Thọ, Hải Phòng, Hòa Bình, Thanh Hóa, Hà Tĩnh, Phú Yên).
  • Số liệu khảo sát địa kỹ thuật, ĐCTV, mặt cắt địa chất và kết quả thử nghiệm thực tế tại mỏ quặng sắt Thạch Khê, Nà Lũng, Trại Cau, Tiến Bộ, Quý Xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về khai thác sắt lộ thiên ở Việt Nam và những vấn đề liên quan

Chương 1 cung cấp bức tranh toàn diện về hiện trạng kỹ thuật, tiềm năng tài nguyên và các yếu tố tự nhiên chi phối hoạt động khai thác quặng sắt tại Việt Nam:

1. Hiện trạng công nghệ và thiết bị khai thác:

  • Sản lượng thực tế tại các mỏ lớn chỉ đạt từ 100 đến 250 ngàn tấn/năm (Trại Cau, Nà Lũng, Kíp Tước, Quý Xa), thấp hơn nhiều so với công suất thiết kế do hạn chế về công nghệ chế biến sâu và thị trường tiêu thụ.
  • Thông số hệ thống khai thác thực tế bị sai lệch nghiêm trọng so với thiết kế:
Chỉ tiêu Đơn vị Mỏ Nà Lũng (TK / HT) Mỏ Trại Cau (TK / HT) Mỏ Tiến Bộ (TK / HT) Mỏ Quý Xa (TK / HT)
Chiều cao tầng khai thác ($h$) m 10 / 5 10 / 8 10 / 10 12 / 10
Chiều cao tầng kết thúc m 20 / 10 20 / 20 10÷20 / 10 24 / 20
Chiều rộng mặt tầng công tác m 30÷31 / 15 20 / 15 42 / 43 35 / 50÷60
Chiều rộng mặt tầng nghỉ m 10÷15 / 3÷10 10 / 8 14 / 14 12 / 12
Chiều rộng dải khấu ($A$) m 15÷16 / 4,1 13 / 10 8 / 13 20 / 18
Góc dốc sườn tầng ($\alpha$) độ 65÷75 / 55÷75 70 / 65 60 / 60 65 / 60
Góc nghiêng bờ công tác ($\phi$) độ 28÷30 / 15 25 / 22 20 / 12 26 / 22
  • Thiết bị khoan chủ yếu là máy đập cáp KZ, DK ($D = 200\text{ mm}$), năng suất thấp ($5000 \div 6000\text{ mk/năm}$), một số mỏ đầu tư máy KQG-165, ECM-6 nhưng hiệu quả chưa cao; công nghệ nổ mìn chủ yếu là nổ tức thời quy mô nhỏ ($1000 \div 2000\text{ kg/vụ}$).
  • Thiết bị xúc bốc sử dụng MXTLGN dung tích gầu nhỏ ($1,0 \div 2,0\text{ m}^3$), vận tải bằng ô tô tải trọng nhỏ ($15 \div 20\text{ tấn}$), hệ thống đường hào thường xuyên lầy lội, độ dốc cục bộ lên tới 14%.

2. Tiềm năng và đặc điểm phân bố tài nguyên:

  • Tổng trữ lượng và tài nguyên quặng sắt Việt Nam đạt gần 1,2 tỷ tấn. Trữ lượng cấp 111+121 đạt 610,7 triệu tấn (chiếm 52,57%), cấp 122 đạt 344,69 triệu tấn (chiếm 48,51% tổng trữ lượng).
  • Phân bổ tập trung lớn nhất tại Hà Tĩnh (mỏ Thạch Khê: 544,08 triệu tấn), Lào Cai (mỏ Quý Xa: 121,92 triệu tấn; Làng Lếch: 19,6 triệu tấn; Làng Cọ: 11,9 triệu tấn; Làng Vinh: 10 triệu tấn), Yên Bái (mỏ Làng Mỵ: 76,17 triệu tấn), Hà Giang (mỏ Sàng Thần: 32,39 triệu tấn; Tùng Bá: 15,158 triệu tấn), Thái Nguyên (Tiến Bộ: 24,2 triệu tấn; Trại Cau: 22,3 triệu tấn), Cao Bằng (Nà Rụa: 18,03 triệu tấn; Nà Lũng: 7,37 triệu tấn).

3. Phân loại mức độ phức tạp mỏ quặng sắt Việt Nam theo yếu tố tự nhiên: Tác giả đề xuất hệ thống phân loại gồm 5 kiểu nguồn gốc địa chất kết hợp các điều kiện ĐCCT - ĐCTV, chia các khoáng sàng thành 3 nhóm:

  • Nhóm I (Đơn giản): Nguồn gốc tàn dư (Quý Xa, Làng Vinh - Làng Cọ, Sàng Thần), góc dốc $\gamma \le 25^\circ$, nước chảy vào mỏ $< 2000\text{ m}^3/\text{h}$, áp lực cột nước $< 50\text{ m}$. Khai thác trên mức thoát nước tự chảy bằng phương pháp thông thường.
  • Nhóm II (Phức tạp): Nguồn gốc magma, nhiệt dịch, trầm tích - biến chất (Làng Mỵ, Tiến Bộ, Kíp Tước, Thanh Kỳ, Tùng Bá, Nà Lũng), góc dốc $\gamma = 25^\circ \div 45^\circ$, lưu lượng nước $2000 \div 5000\text{ m}^3/\text{h}$, áp lực cột nước $50 \div 100\text{ m}$. Cần giải pháp gia cố và thoát nước cục bộ.
  • Nhóm III (Rất phức tạp): Nguồn gốc biến chất trao đổi skarn, trầm tích phân dị mạnh (Thạch Khê, Nà Rụa, Trại Cau), góc dốc $\gamma > 45^\circ$, vỉa quặng nằm sâu dưới mức xâm thực địa phương, lưu lượng nước $> 5000\text{ m}^3/\text{h}$, áp lực cột nước $> 100\text{ m}$, tầng phủ đất yếu ngậm nước dày. Đòi hỏi công nghệ khai thác đặc biệt và ĐBTB chuyên dụng.

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ khai thác có tiềm năng áp dụng cho các mỏ quặng sắt lộ thiên ở Việt Nam

Chương 2 phân tích các cơ sở khoa học của những giải pháp công nghệ tiên tiến có khả năng ứng dụng thực tế:

1. Công nghệ khai thác dưới mức thoát nước tự chảy:

  • Đề xuất áp dụng HTKT đáy mỏ hai cấp: phân chia đáy mỏ thành khu vực khai thác quặng và khu vực thu gom, lắng đọng nước/bùn nhằm cô lập dòng nước ngầm, đảm bảo gương xúc luôn khô ráo.
  • Cơ chế đào sâu đáy mỏ và khấu quặng theo phân tầng bằng máy xúc thủy lực gầu ngược đứng ở mức trên hoặc mức trung gian, cho phép máy xúc hoạt động ổn định mà không bị sa lầy xuống đáy hào ngập nước.

2. Công nghệ khai thác với góc nghiêng bờ công tác lớn:

  • Phân tích sự cần thiết của việc nâng cao góc nghiêng bờ công tác ($\phi$) nhằm điều hòa khối lượng đất đá bóc trong giai đoạn đầu, giảm hệ số bóc tức thời, kéo dài thời gian hoàn vốn và giảm diện tích chiếm đất của khai trường.
  • Áp dụng sơ đồ bờ mỏ chia thành các nhóm tầng, tổ chức khấu đuổi cục bộ trong nhóm tầng kết hợp luân phiên vị trí đặt thiết bị.

3. Công nghệ khai thác chọn lọc thân quặng sắt:

  • Thiết lập các sơ đồ khai thác chọn lọc chuyên biệt cho các thân quặng mỏng, dốc nghiêng và dốc đứng; sơ đồ cho thân quặng dày dốc đứng; sơ đồ dọn vách thân quặng theo lớp xiên; sơ đồ xúc chùm thân quặng mỏng phân bố gần nhau.
  • Tận dụng triệt để tính cơ động và lực xúc cắt lớn của MXTLGN để bóc tách riêng các lớp đá kẹp có chiều dày từ nhỏ đến trung bình mà không làm xáo trộn vào quặng nguyên khai.

4. Đánh giá tiềm năng lựa chọn thiết bị:

  • Khâu chuẩn bị đất đá: Chuyển đổi sang máy khoan đập xoay thủy lực đường kính trung bình ($D = 105 \div 165\text{ mm}$), áp dụng nổ mìn vi sai phi điện.
  • Khâu xúc bốc: Ưu tiên MXTLGN dung tích gầu $E = 1,4 \div 5,0\text{ m}^3$ với khả năng đào sâu dưới mức máy đứng.
  • Khâu vận tải: Định hướng sử dụng ô tô tự đổ khung cứng kết hợp ô tô tự đổ khung động (khớp nối) đối với các tầng đất yếu, bùn cát ngậm nước.

Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp công nghệ khai thác phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cho các mỏ quặng sắt lộ thiên trong điều kiện tự nhiên phức tạp Việt Nam

Chương 3 là phần nghiên cứu lý thuyết trọng tâm của luận án, đưa ra các mô hình tính toán định lượng cụ thể:

1. Nghiên cứu hoàn thiện công tác đào sâu đáy mỏ:

  • Xác định mối quan hệ định lượng giữa tốc độ xuống sâu đáy mỏ ($V_s$), tốc độ tiến gương ($V_t$), chiều cao tầng ($h$), chiều rộng đáy hào tối thiểu ($B_{\min}$), chiều dài khối khai thác ($L_K$) và năng suất thiết bị xúc bốc ($Q_x$).
  • Xây dựng các đồ thị biểu diễn tương quan giữa $V_s$ với chiều cao phân tầng khấu và chiều dài blốc máy xúc, chứng minh việc chia nhỏ chiều cao tầng khai thác đối với quặng sắt dưới mức thoát nước tự chảy cho phép tăng tốc độ đào sâu hàng năm từ 15% đến 25%.

2. Xác định góc nghiêng bờ công tác hợp lý:

  • Thiết lập mô hình tối ưu hóa góc nghiêng bờ công tác $\phi$ dựa trên hàm mục tiêu tối đa hóa hiệu quả kinh tế (lợi nhuận $L$) gắn liền với điều kiện ràng buộc về hệ số dự trữ ổn định bờ mỏ ($n \ge [n]$): $$\phi = f(h, B_{\min}, \alpha, \gamma_{nk}, n)$$
  • Đưa ra giải pháp công nghệ khai thác theo nhóm tầng đối với bờ mỏ có chiều cao lớn: trên mỗi nhóm tầng (gồm 2–3 tầng) bố trí một tầng công tác rộng, các tầng còn lại duy trì ở trạng thái tạm dừng, cho phép tăng góc bờ công tác từ $15^\circ \div 20^\circ$ lên tới $28^\circ \div 35^\circ$ trong thời kỳ khai thác ổn định.

3. Khai thác đáy mỏ hai cấp và phân khu vực theo mùa:

  • Xây dựng sơ đồ công nghệ phân chia khai trường thành 2 khu vực hoạt động luân phiên: trong mùa mưa, tập trung thiết bị khai thác tại khu vực mức cao và đất đá cứng; khu vực đáy sâu trũng đóng vai trò hồ điều hòa thoát nước. Trong mùa khô, tập trung toàn bộ ĐBTB xuống khai thác triệt để đáy mỏ hai cấp.

4. Sơ đồ công nghệ khoan nổ mìn và xúc bóc chọn lọc:

  • Đề xuất 5 sơ đồ khoan nổ mìn chọn lọc:
    1. Nổ tách quặng và đá sử dụng lỗ khoan nghiêng theo mặt tiếp xúc.
    2. Nổ mìn giữ nguyên cấu trúc cho trường hợp đơn vỉa.
    3. Nổ mìn đồng thời giữ nguyên cấu trúc cho chùm thân quặng phức tạp.
    4. Khoan nổ mìn tách theo phân tầng.
    5. Nổ tách riêng đất đá và quặng bằng phương pháp vi sai trong lỗ khoan (chia cột thuốc nổ) và nổ theo dải cụt.
  • Xây dựng thuật toán và mô hình hình học xác định chiều cao xúc chọn lọc tối ưu ($h_{cl}$) của MXTLGN phụ thuộc vào góc cắm vỉa quặng ($\alpha_v$), tầm với xúc ($R_x$) và góc dốc sườn tầng tự nhiên:
    • Khi máy xúc đứng bên vách xúc gương dưới: $$h_{cl} = f(R_{x\max}, H_{dx}, \alpha_v)$$
    • Khi máy xúc đứng trên nóc tầng quặng xúc gương dưới.
    • Sơ đồ máy xúc kết hợp giữa MXTLGN (xúc chọn lọc phần dưới) và máy xúc thủy lực gầu thuận - MXTLGT (khấu phần đất đá bên trên).
  • Thiết lập công thức tính toán chỉ tiêu tổn thất ($K_{tt}$) và làm nghèo ($K_{ln}$) tại các đới ranh giới tiếp xúc giáp vách, giáp trụ và các lớp đá kẹp nội tầng.

5. Lựa chọn ĐBTB xúc bốc - vận tải trên nền đất yếu:

  • Xác lập nguyên lý mới: Đối với mỏ lộ thiên có tầng đất yếu bão hòa nước dày, thiết bị vận tải (ô tô) phải được chọn trước căn cứ vào áp lực đơn vị tác động lên nền đất ($P_{tx}$) và độ lún cho phép của nền đường ($S \le [S]$): $$P_{tx} = \frac{Q_t}{F_{tx}} \le [P_{nền}]$$
  • Sau khi xác định được tải trọng ô tô phù hợp, tiến hành chọn dung tích gầu máy xúc ($E$) theo hệ số phối hợp tải trọng ($K_{ph} = 3 \div 5$ gầu đầy một xe) và kiểm tra khả năng đứng vững của máy xúc dựa trên sức chịu tải của nền đất tại vị trí máy đứng.
  • Xác định số lượng ô tô ($N_{ot}$) phục vụ cho một máy xúc theo chu trình vận tải hở: $$N_{ot} = \frac{T_{ck_ot}}{t_{x_ot}} + K_{dt}$$ Trong đó $T_{ck_ot}$ là thời gian một chu kỳ chuyến của ô tô, $t_{x_ot}$ là thời gian xúc đầy một xe ô tô, $K_{dt}$ là hệ số dự trữ kỹ thuật.

Chương 4: Tính toán áp dụng cho mỏ quặng sắt Thạch Khê

Chương 4 áp dụng toàn bộ hệ thống lý thuyết và giải pháp công nghệ đã xây dựng vào điều kiện thực tế của mỏ quặng sắt lớn nhất Việt Nam:

1. Đặc điểm địa chất - khai thác mỏ Thạch Khê:

  • Trữ lượng địa chất: 544,08 triệu tấn quặng magnetit chất lượng cao ($55 \div 60%\text{ Fe}$).
  • Kích thước khai trường kết thúc: Dài $3350\text{ m}$, rộng $2100\text{ m}$, diện tích 110,8 ha, chiều sâu đáy mỏ $-550\text{ m}$, chiều cao bờ mỏ tổng thể $555\text{ m}$.
  • Tầng phủ Đệ tứ và Neogen dày từ $26 \div 226\text{ m}$ gồm 6 lớp đất cát, bùn sét bão hòa nước nằm sát bờ biển Đông, ĐCTV cực kỳ phức tạp với lưu lượng nước ngầm dự báo chảy vào khai trường lên tới hàng chục ngàn $\text{m}^3/\text{h}$.

2. Kết quả tính toán thông số công nghệ:

  • Góc nghiêng bờ công tác tầng đá cứng: Xác định theo mô hình địa kỹ thuật, đạt giá trị tối ưu $\phi = 28^\circ \div 32^\circ$, đảm bảo hệ số an toàn ổn định $n = 1,25 \div 1,30$.
  • Chiều cao xúc chọn lọc ($h_{cl}$): Áp dụng chương trình phần mềm tự thiết kế tính toán cho MXTLGN xúc vỉa quặng Thạch Khê theo các góc cắm thay đổi:
    • Với góc cắm vỉa $\alpha_v = 45^\circ \div 60^\circ$: $h_{cl} = 3,5 \div 4,5\text{ m}$.
    • Với góc cắm vỉa $\alpha_v > 60^\circ$: $h_{cl} = 2,5 \div 3,5\text{ m}$.
    • Giúp giảm tỷ lệ tổn thất quặng xuống dưới $3,5%$ và tỷ lệ làm nghèo quặng dưới $4,0%$.

3. Xác định đồng bộ thiết bị xúc bốc - vận tải hợp lý:

  • Khảo sát áp lực tiếp xúc của ô tô lên các lớp đất yếu mỏ Thạch Khê:
Loại ô tô Hãng chế tạo Tải trọng (tấn) Kiểu khung Áp lực tiếp xúc trung bình (kG/$\text{cm}^2$) Khả năng thích nghi nền đất yếu Thạch Khê
Kamaz-65115 Nga 15 Khung cứng 6,5 ÷ 7,2 Thường xuyên lầy lún, chỉ chạy trên đường cấp phối dày
BelAZ-7522 Belarus 27 Khung cứng 5,8 ÷ 6,5 Cần bổ sung đá cấp phối định kỳ 7–10 ngày/lần
HM400-2R Komatsu 36,5 Khung động (khớp nối) 2,8 ÷ 3,4 Vận hành ổn định trên nền cát ẩm và bùn sét
CAT-740 Caterpillar 38 Khung động 2,9 ÷ 3,5 Vận hành rất tốt, độ bám nền cao
CAT-773D / 777D Caterpillar 50 ÷ 90 Khung cứng 6,8 ÷ 7,5 Chỉ áp dụng cho các tầng đá cứng và đường cố định
  • Lựa chọn máy xúc và tổ hợp thiết bị:
    • Tầng đất phủ yếu: Tổ hợp MXTLGN gầu dung tích $E = 2,5 \div 3,5\text{ m}^3$ (như Komatsu PC-650, PC-800, CAT-385) phối hợp ô tô tự đổ khung động tải trọng $35 \div 40\text{ tấn}$ (CAT-740 hoặc Komatsu HM400).
    • Tầng quặng gốc và đá cứng: Tổ hợp MXTLGN/GT dung tích gầu $E = 5,0 \div 6,5\text{ m}^3$ phối hợp ô tô tự đổ khung cứng tải trọng $55 \div 90\text{ tấn}$ (CAT-777, Komatsu HD-785).
    • Sử dụng phần mềm tối ưu hóa tính toán được số lượng ô tô phục vụ cho một máy xúc là $N_{ot} = 4 \div 6$ xe tùy theo cung độ vận tải từ $1,5 \div 3,5\text{ km}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Phương pháp phân loại mỏ mới: Đã đề xuất phương pháp phân loại mức độ phức tạp đối với các mỏ quặng sắt lộ thiên Việt Nam dựa trên sự tích hợp giữa nguồn gốc thành tạo địa chất và các chỉ tiêu định lượng về ĐCCT, ĐCTV (lưu lượng nước chảy vào mỏ, áp lực nước lên trụ vỉa, góc dốc vỉa, đặc tính cơ lý đất đá). Phân loại này là cơ sở khoa học trực tiếp phục vụ công tác thiết kế công nghệ và lựa chọn ĐBTB.
  2. Phương pháp xác định góc nghiêng bờ công tác: Đã xây dựng hoàn chỉnh phương pháp xác định góc nghiêng bờ công tác lớn cho hệ thống khai thác xuống sâu dưới mức thoát nước tự chảy, kết hợp tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và thỏa mãn điều kiện an toàn ổn định bờ mỏ.
  3. Hệ thống sơ đồ công nghệ khai thác chọn lọc: Đã thiết lập đồng bộ các sơ đồ công nghệ khoan nổ mìn tách lớp và thuật toán xác định chiều cao xúc chọn lọc của máy xúc thủy lực gầu ngược theo hình thái, thế nằm vỉa quặng; giải quyết triệt để bài toán giảm tổn thất và làm nghèo quặng sắt gốc xen kẹp nhiều lớp đá cứng.
  4. Quy trình lựa chọn ĐBTB trên nền đất yếu: Lần đầu tiên đề xuất và chứng minh tính đúng đắn của nguyên lý lựa chọn ĐBTB mỏ lộ thiên đảo ngược (ưu tiên tính toán lựa chọn ô tô theo áp lực nền đất trước, sau đó mới xác định dung tích gầu máy xúc tương thích) đối với điều kiện khai thác đất đá yếu bão hòa nước.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Các doanh nghiệp khai thác mỏ quặng sắt lộ thiên cần sớm điều chỉnh thông số hệ thống khai thác theo hướng nâng cao chiều cao tầng kỹ thuật, mở rộng mặt tầng công tác và chấn chỉnh góc nghiêng bờ mỏ đúng quy chuẩn thiết kế.
  • Chuyển đổi công nghệ nổ mìn truyền thống sang nổ mìn vi sai phi điện, nổ mìn chia cột thuốc tách quặng - đá nhằm nâng cao chất lượng đập vỡ cơ học và giảm chấn động đến bờ mỏ.
  • Tại mỏ Thạch Khê và các mỏ có tầng phủ yếu dày, bắt buộc phải đầu tư thiết bị vận tải khung động chuyên dụng trong giai đoạn bóc tầng phủ và xây dựng hệ thống hào tháo khô - đáy mỏ hai cấp để hạ mực nước ngầm trước khi khấu quặng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung giải quyết bài toán công nghệ xúc bốc - vận tải ô tô và khoan nổ mìn chọn lọc; chưa đi sâu đánh giá chi tiết các phương thức vận tải liên hợp công suất siêu lớn (như ô tô - trục tải nghiêng, ô tô - băng tải góc dốc lớn) khi mỏ Thạch Khê xuống sâu tối đa ở mức $-550\text{ m}$.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu mô phỏng 3D động lực học quá trình thoát nước ngầm kết hợp hệ thống tường hào chống thấm sâu xung quanh khai trường mỏ Thạch Khê.
    • Tối ưu hóa chuỗi công nghệ khai thác - tuyển quặng sắt nghèo trực tiếp tại khai trường bằng các tổ hợp nghiền sàng di động.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành có giá trị kỹ thuật cao:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn hóa về công nghệ khai thác mỏ lộ thiên dưới mức thoát nước tự chảy, các thuật toán hình học xác định chiều cao xúc chọn lọc và cơ học tương tác máy xúc - nền đất yếu.
  • Đối với các kỹ sư mỏ, viện thiết kế và doanh nghiệp khai khoáng: Là cẩm nang tính toán thực tiễn để lập dự án đầu tư, thiết kế khai trường, tính chọn đồng bộ thiết bị máy xúc - ô tô và lập hộ chiếu khoan nổ mìn chọn lọc cho các mỏ quặng sắt tại Việt Nam.
  • Đối với cơ quan quản lý nhà nước: Cung cấp cơ sở khoa học để thẩm định dự án khai thác mỏ, giám sát an toàn mỏ và đánh giá mức độ sử dụng tiết kiệm tài nguyên khoáng sản quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đối với nền đất yếu của mỏ Thạch Khê, luận án lại ưu tiên lựa chọn thiết bị vận tải (ô tô) trước máy xúc?
Trả lời: Trong điều kiện tầng đất phủ ngập nước (cát, sét, bùn), sức chịu tải của nền đất rất thấp ($[P_{nền}]$ nhỏ). Nếu chọn máy xúc dung tích gầu lớn trước sẽ dẫn đến việc phải chọn ô tô tải trọng lớn khung cứng có áp lực bánh xe vượt quá sức chịu tải của đường ($P_{tx} > [P_{nền}]$), gây hiện tượng lún sụt, trượt bánh và tê liệt hệ thống vận tải. Do đó, phải chọn ô tô có áp lực đơn vị tiếp xúc nhỏ (như ô tô khung động) thỏa mãn điều kiện ổn định nền đường trước, sau đó mới tính chọn dung tích gầu máy xúc phù hợp với tải trọng thùng xe.

2. Bản chất của công nghệ hệ thống khai thác đáy mỏ hai cấp là gì?
Trả lời: Là giải pháp phân chia đáy mỏ lộ thiên thành hai mức chênh lệch độ cao: mức trên là mặt bằng bố trí thiết bị xúc bốc sạch quặng khô ráo, mức dưới là rãnh thu nước, hố ga và trạm bơm bùn lắng đọng. Nước mặt và nước ngầm được tập trung cưỡng bức xuống cấp đáy dưới, giúp máy xúc thủy lực gầu ngược đứng ở cấp trên vẫn có thể đào quặng mà không bị ngập nước hay sa lầy.

3. Luận án phân chia mức độ phức tạp của các mỏ quặng sắt Việt Nam thành mấy nhóm và dựa trên những tiêu chí nào?
Trả lời: Luận án chia thành 3 nhóm (Nhóm I: Đơn giản; Nhóm II: Phức tạp; Nhóm III: Rất phức tạp) dựa trên 5 kiểu nguồn gốc thành tạo địa chất kết hợp 5 tiêu chí định lượng: mô hình cấu trúc địa chất, góc dốc thân quặng ($\gamma$), lưu lượng nước chảy vào mỏ ($Q$), áp lực cột nước lên trụ vỉa ($H$) và tính chất cơ lý bền nén của đất đá bao quanh.

4. Giải pháp nào được đề xuất để giảm tỷ lệ tổn thất và làm nghèo quặng khi khai thác các thân quặng sắt có cấu trúc phức tạp?
Trả lời: Kết hợp đồng bộ hai giải pháp: (1) Áp dụng các hộ chiếu khoan nổ mìn tách riêng đất đá và quặng bằng nổ vi sai trong lỗ khoan hoặc nổ giữ nguyên cấu trúc vỉa; (2) Sử dụng máy xúc thủy lực gầu ngược với chiều cao xúc chọn lọc ($h_{cl}$) được tính toán tối ưu theo góc cắm vỉa quặng ($2,5 \div 4,5\text{ m}$), xúc bóc riêng từng lớp đá kẹp và bóc dọn vách/trụ theo lớp xiên.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lưu Văn Thực đã giải quyết trọn vẹn và khoa học các thách thức kỹ thuật lớn trong khai thác mỏ quặng sắt lộ thiên tại Việt Nam khi phát triển xuống sâu dưới mức thoát nước tự chảy. Bằng việc đề xuất hệ thống phân loại mỏ mới, chuẩn hóa công nghệ đào sâu đáy mỏ hai cấp, tối ưu hóa góc nghiêng bờ công tác lớn, thiết lập các sơ đồ khai thác chọn lọc và quy trình lựa chọn ĐBTB trên nền đất yếu, công trình đã đóng góp quan trọng vào lý thuyết khai thác mỏ lộ thiên. Các kết quả tính toán áp dụng thành công cho mỏ sắt Thạch Khê khẳng định tính thực tiễn cao, phục vụ đắc lực cho mục tiêu phát triển hiệu quả và bền vững ngành công nghiệp khai khoáng Việt Nam.