Tổng quan luận án
Công tác khai thác khoáng sản rắn, đặc biệt là tài nguyên quặng sắt, giữ vai trò thiết yếu đối với ngành công nghiệp luyện kim và sự phát triển kinh tế quốc dân. Theo Quy hoạch thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng sắt đến năm 2010, định hướng đến năm 2020 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 124/2006/QĐ-TTg ngày 30/5/2006, hàng loạt mỏ quặng sắt lộ thiên tại Việt Nam cần được đầu tư mở rộng hoặc xây dựng mới nhằm cung cấp nguyên liệu cho các khu liên hợp gang thép trong nước (như Cao Bằng, Lào Cai, Vũng Áng, Nghi Sơn). Tuy nhiên, phần lớn các mỏ quặng sắt lộ thiên ở Việt Nam có cấu trúc địa chất phức tạp, vỉa quặng cắm dốc từ 30° đến 65°, chiều dày biến đổi và có nhiều lớp đá kẹp. Địa tầng phủ bên trên gồm các lớp đất yếu đệ tứ, neogen dễ sạt lở khi gặp nước, trong khi tầng đá cứng chứa quặng thường xuất hiện hang karst. Hầu hết các mỏ phải khai thác xuống sâu dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện khí hậu nhiệt đới mưa nhiều, lưu lượng bùn và nước chảy vào khai trường lớn. Thực trạng tại các mỏ cho thấy công nghệ khai thác còn lạc hậu, thiết bị không đồng bộ, hiện tượng chập tầng và góc nghiêng bờ công tác thực tế vượt quá quy định diễn ra phổ biến, gây tổn thất và làm nghèo tài nguyên. Khoảng trống nghiên cứu lớn là sự thiếu vắng một công trình nghiên cứu toàn diện về công nghệ khai thác dưới mức thoát nước tự chảy, công nghệ đào sâu đáy mỏ, khai thác chọn lọc quặng gốc và phương pháp lựa chọn đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải trên nền đất yếu.
- Mục tiêu nghiên cứu: Trên cơ sở đặc điểm điều kiện tự nhiên của các mỏ quặng sắt lộ thiên, lựa chọn sơ đồ công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải phù hợp với các mỏ quặng sắt khai thác dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và địa chất thủy văn phức tạp nói chung và cho mỏ sắt Thạch Khê nói riêng, nhằm đáp ứng yêu cầu sản lượng và nâng cao hiệu quả khai thác cho doanh nghiệp.
- Luận điểm bảo vệ:
- Ngoài quy mô sản lượng yêu cầu, các đặc điểm tự nhiên như nguồn gốc thành tạo, tính chất cơ lý đất đá, điều kiện địa chất thủy văn là cơ sở để lựa chọn công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị sử dụng cho mỏ lộ thiên.
- Khai thác dưới mức thoát nước tự chảy và điều kiện địa chất thủy văn phức tạp là các yếu tố có ảnh hưởng đến góc nghiêng của bờ công tác trên mỏ lộ thiên.
- Để giảm tổn thất và làm nghèo cho các mỏ khai thác lộ thiên đặc biệt là các mỏ quặng sắt có điều kiện tự nhiên phức tạp và khai thác dưới mức thoát nước tự chảy cần có phương pháp khai thác chọn lọc phù hợp.
- Với điều kiện khai thác trên nền đất yếu thì trong đồng bộ thiết bị sử dụng (máy xúc - ô tô) cho mỏ lộ thiên, ô tô là thiết bị được ưu tiên lựa chọn đầu tiên.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các mỏ quặng sắt lộ thiên khai thác dưới mức thoát nước tự chảy có điều kiện địa chất và địa chất thủy văn phức tạp ở Việt Nam, trọng tâm là mỏ quặng sắt Thạch Khê.
- Phạm vi không gian: Các khoáng sàng quặng sắt phân bố tại các vùng Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ (như Thạch Khê, Nà Rụa, Nà Lũng, Kíp Tước, Quý Xa, Trại Cau, Tiến Bộ, Tùng Bá, Sàng Thần, Làng Mỵ...).
- Phạm vi thời gian và quy hoạch: Các định hướng công nghệ bám sát Quy hoạch phát triển ngành quặng sắt Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn 2020 theo Quyết định số 124/2006/QĐ-TTg và các số liệu khảo sát, thử nghiệm thực tế tính đến năm 2014.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan các công trình trong nước cho thấy nghiên cứu về khai thác lộ thiên quặng sắt và khoáng sản rắn đã được triển khai qua một số giai đoạn:
- Năm 2007, Công ty Cổ phần tư vấn đầu tư Mỏ và Công nghiệp - TKV lập Báo cáo thử nghiệm thi công trên nền cát và sét tại mỏ Thạch Khê, sử dụng máy xúc thủy lực gàu ngược dung tích đến 2,5 m³ và ô tô tải trọng đến 27 tấn, kết hợp tấm lót bê tông.
- Năm 2008, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin thực hiện đề tài theo dõi đánh giá thử nghiệm công nghệ thi công trên nền cát sét mỏ Thạch Khê giai đoạn I, xác định hiện tượng suy giảm góc dốc sườn tầng cát từ 42°÷47° xuống 29°÷30° sau 4 tháng do nước ngầm, đánh giá áp lực của ô tô Kamaz-65115 (15 tấn), BelAZ-7522 (27 tấn) và ô tô khung động HM400-2R (36,5 tấn).
- Năm 2009, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan nổ mìn cho các mỏ quặng sắt lộ thiên Việt Nam, nhưng chưa giải quyết công nghệ nổ mìn chọn lọc cho vỉa cấu trúc phức tạp dưới mức thoát nước tự chảy.
- Năm 2010, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác các mỏ quặng sắt (gốc) lộ thiên Việt Nam nhưng chưa đi sâu vào mỏ có điều kiện địa chất và địa chất thủy văn phức tạp.
- Cùng năm 2010, tác giả Lưu Văn Thực nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác chọn lọc cho các mỏ quặng sắt lộ thiên Việt Nam; giai đoạn 2012–2013 tiếp tục thực hiện đề tài cơ giới hóa khai thác và tuyển cho các mỏ sắt quy mô nhỏ phía Bắc.
- Trong các lĩnh vực lân cận, Hoàng Văn Liễu (1996) nghiên cứu sơ đồ khai thác chọn lọc vỉa I quặng apatit Lào Cai bằng máy xúc thủy lực gàu ngược phối hợp máy xúc EKG-4,6; Lê Đức Phương (2004) nghiên cứu khai thác chọn lọc vỉa than mỏng và phức tạp (chiều dày $\le$ 5 m) tại Quảng Ninh; Bùi Xuân Nam (2005) nghiên cứu các thông số công nghệ của máy xúc thủy lực gàu ngược trên mỏ than lộ thiên; Lê Thị Thu Hoa (2012) xác định sơ đồ xúc chọn lọc bằng máy xúc thủy lực gàu ngược theo quan hệ chiều dày vỉa và mặt bằng bố trí thiết bị; Hồ Sĩ Giao nghiên cứu hệ thống khai thác đáy mỏ hai cấp trên mỏ than lộ thiên.
Về các nghiên cứu và kinh nghiệm quốc tế:
- B. P. Yumatov (1973) phân loại khối khai thác theo đặc trưng tiếp xúc quặng - đá nhưng sử dụng máy xúc kéo cáp EKG-5A dung tích nhỏ nên tỷ lệ tổn thất và làm nghèo còn cao.
- Astafiev cùng các nhà khoa học Nga xây dựng mô hình toán tối ưu hóa phân bổ sản lượng khai thác theo không gian và thời gian:
$$\sum_{g=1}^v \sum_{i=1}^s \sum_{j=1}^{n_t} \left| n_{gij} G_{ij} - P_g \right| \rightarrow \min$$
- P. Neganov nghiên cứu làm tơi quặng vàng bằng máy xới và nổ mìn giữ nguyên cấu trúc vỉa quặng đơn, tuy nhiên việc dùng máy xúc EKG và khoan đường kính lớn D = 200÷250 mm vẫn gây tổn thất tài nguyên.
- Cadicaep (1988) nghiên cứu khai thác đồng thời lộ thiên - hầm lò với tổ hợp nghiền đập di động và máy xúc tải.
- Thực tiễn tại Nga, Ukraine (vùng Krivorog), Mỹ (mỏ Mintac, Hull Rust-Mahoning), Canada (Mount Wright), Brazil (Carajas, Aguas Claras), Australia và Nam Phi cho thấy xu hướng áp dụng máy khoan đường kính lớn (D = 200÷451 mm), máy xúc thủy lực gàu lớn (dung tích gàu E = 8÷20 m³), ô tô tải trọng nặng (q = 75÷180 tấn), nổ mìn vi sai phi điện và công nghệ bờ công tác dốc lớn.
Khoảng trống nghiên cứu được giải quyết: Điều kiện tự nhiên của các mỏ quặng sắt Việt Nam có tính đặc thù cao (quy mô trữ lượng trung bình và nhỏ, địa tầng phân dị mạnh, đất phủ yếu, nước ngầm lớn, vỉa quặng gốc có độ bền nén cao xen kẹp đá). Các nghiên cứu trước đây chưa thiết lập được phương pháp phân loại mỏ gắn liền với công nghệ khai thác, chưa xây dựng các sơ đồ khoan nổ và xúc chọn lọc cho quặng sắt gốc dưới mức thoát nước tự chảy, và chưa có quy trình chuẩn xác định đồng bộ thiết bị xúc bốc - vận tải bắt đầu từ khả năng chịu tải của nền đất yếu. Luận án được thực hiện nhằm lấp đầy toàn bộ các khoảng trống này.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
- Cơ sở lý thuyết và khung phân tích:
- Lý thuyết hệ thống khai thác mỏ lộ thiên theo trường phái phân loại của V. V. Rzhevsky (phân chia thành nhóm hệ thống khai thác không xuống sâu và hệ thống khai thác xuống sâu theo hướng phát triển bình đồ, mặt cắt và vị trí bãi thải).
- Lý thuyết ổn định bờ mỏ lộ thiên và cơ học đá ứng dụng trong việc tối ưu hóa góc nghiêng bờ công tác và dải khấu.
- Lý thuyết cơ học đất và biến dạng nền đường vận tải chịu tải trọng động của phương tiện bánh lốp; mối quan hệ giữa lực tác động, ứng suất tự nhiên của các lớp đất yếu và độ lún mặt đường.
- Lý thuyết phân tích tổn thất và làm nghèo khoáng sản trong công tác xúc bốc chọn lọc.
- Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp kế thừa: Tổng hợp, tiếp thu có chọn lọc các thành tựu lý thuyết khai thác mỏ lộ thiên và kết quả khảo sát từ các đề tài, dự án trước đó.
- Phương pháp giải tích và mô hình hóa toán học: Thiết lập các phương trình giải tích xác định thông số đáy mỏ hai cấp, quan hệ giữa tốc độ xuống sâu với chiều dài bloc và năng suất máy xúc, hàm mục tiêu tối ưu hóa góc nghiêng bờ công tác theo hệ số an toàn và lợi nhuận.
- Ứng dụng công cụ tin học và thuật toán: Xây dựng thuật toán và chương trình phần mềm tính toán chiều cao (chiều sâu) xúc chọn lọc của máy xúc thủy lực gàu ngược theo góc cắm vỉa quặng; chương trình phần mềm tối ưu hóa tổ hợp thiết bị máy xúc – ô tô.
- Phương pháp phân tích, so sánh và chuyên gia: Đánh giá đối sánh các phương án công nghệ khoan nổ mìn, sơ đồ xúc bốc và các dòng thiết bị của các hãng Caterpillar, Komatsu, BelAZ, Kamaz.
- Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Số liệu thăm dò địa chất, địa chất công trình và địa chất thủy văn của 216 mỏ và điểm quặng sắt tại Việt Nam.
- Số liệu theo dõi thực tế và số liệu thực nghiệm thi công tại khai trường mỏ sắt Thạch Khê giai đoạn 2008–2009 của Viện Khoa học Công nghệ Mỏ.
- Các thông số kỹ thuật thực tế từ các mỏ đang hoạt động: Nà Lũng, Trại Cau, Tiến Bộ, Quý Xa, Kíp Tước, Tùng Bá.
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 hệ thống hóa toàn diện hiện trạng khai thác, đặc điểm tự nhiên, trữ lượng khoáng sàng quặng sắt Việt Nam và tổng quan kinh nghiệm quốc tế. Tổng trữ lượng và tài nguyên quặng sắt Việt Nam đạt gần 1,2 tỷ tấn (gồm các cấp 111, 121, 122, 222 và 333). Trữ lượng tập trung chủ yếu ở mỏ Thạch Khê (544,08 triệu tấn) và mỏ Quý Xa (121,92 triệu tấn). Quặng magnetit chiếm 589,40 triệu tấn, quặng limonit chiếm 167,83 triệu tấn, hàm lượng tổng sắt (TFe) biến động từ 23% đến 67%.
Bảng 1: Thông số hệ thống khai thác thiết kế và hiện trạng tại một số mỏ quặng sắt lộ thiên Việt Nam
| 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 ($B_{ct}$) | m | 30÷31 / 15 | 20 / 15 | 42 / 43 | 35 / 50÷60 |
| Chiều rộng mặt tầng an toàn/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 ($\varphi$) | độ | 28÷30 / 15 | 25 / 22 | 20 / 12 | 26 / 22 |
Về nguồn gốc thành tạo, quặng sắt Việt Nam được chia thành 5 nhóm: magma, skarn (Thạch Khê, Cao Bằng), nhiệt dịch - biến chất trao đổi (Tùng Bá, Làng Mỵ), trầm tích/trầm tích biến chất, và phong hóa - tàn dư (Quý Xa, Làng Vinh, Sàng Thần). Trên cơ sở điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn, tác giả đề xuất phân loại thành 3 nhóm mức độ phức tạp:
- Nhóm I (Đơn giản): Cấu trúc đơn giản, vỉa nằm ngang hoặc dốc thoải ($\gamma \le 25^\circ$), nằm cao hơn mức xâm thực địa phương, lưu lượng nước chảy vào mỏ $< 2000 \text{ m}^3/\text{h}$, áp lực nước lên trụ vỉa $< 50\text{ m}$, đất đá ổn định (Quý Xa, Sàng Thần, Làng Vinh - Làng Cọ).
- Nhóm II (Phức tạp): Cấu trúc uốn nếp, đứt gãy, góc dốc $\gamma = 25^\circ \div 45^\circ$, nằm cao hơn mức xâm thực khu vực, lưu lượng nước $2000 \div 5000 \text{ m}^3/\text{h}$, áp lực trụ vỉa $50 \div 100\text{ m}$, đất đá nửa cứng - mềm (Làng Mỵ, Tiến Bộ, Kíp Tước, Tùng Bá, Nà Lũng).
- Nhóm III (Rất phức tạp): Cấu trúc dạng khối tảng uốn nếp phân dị mạnh, vỉa dốc nghiêng hoặc dốc đứng ($\gamma > 45^\circ$), đáy mỏ sâu hơn mức xâm thực địa phương, lưu lượng nước $> 5000 \text{ m}^3/\text{h}$, áp lực trụ vỉa $> 100\text{ m}$, đất đá vây quanh rất kém ổn định, tầng phủ cát sét dày (Thạch Khê, Nà Rụa, Trại Cau).
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 nguyên lý công nghệ có khả năng thích ứng với điều kiện mỏ Việt Nam dựa trên khung phân loại hệ thống khai thác của V. V. Rzhevsky:
- Công nghệ khai thác dưới mức thoát nước tự chảy: Phân tích hệ thống khai thác đáy mỏ hai cấp (gồm cấp công tác và cấp dự trữ thoát nước/thu gom bùn nước) nhằm đảm bảo hoạt động liên tục trong mùa mưa bão.
- Công nghệ đào sâu đáy mỏ bằng máy xúc thủy lực gàu ngược: Phân tích trình tự đào sâu chuẩn bị tầng mới và khấu quặng theo phân tầng, kết hợp bóc đất đá toàn bộ chiều cao tầng; mô hình hóa tốc độ chuẩn bị diện công tác mới theo biểu đồ $L = f(T)$.
- Công nghệ bờ công tác có góc nghiêng lớn: Đề xuất chia bờ công tác thành các nhóm tầng, gom các tầng khai thác thành cụm nhằm tăng góc nghiêng bờ công tác, giảm khối lượng đất bóc giai đoạn đầu và điều hòa hệ số bóc theo thời gian.
- Công nghệ khai thác chọn lọc: Phân tích sơ đồ công nghệ xúc chọn lọc bằng máy xúc thủy lực gàu ngược cho các thân quặng mỏng dốc nghiêng/dốc đứng, thân quặng dày, dọn vách theo lớp xiên và cụm chùm thân quặng mỏng.
- Đánh giá tiềm năng thiết bị: Đánh giá khả năng áp dụng của thiết bị khoan xoay đập thủy lực, máy xúc thủy lực gàu ngược dung tích gàu phù hợp, máy xúc thủy lực gàu thuận và các dòng ô tô tự đổ khung cứng, ô tô khung động khớp nối trên nền đất yếu.
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 giải pháp lý thuyết và mô hình tính toán công nghệ:
- Hoàn thiện công tác đào sâu đáy mỏ: Xác lập quan hệ định lượng giữa tốc độ xuống sâu đáy mỏ ($V_s$), chiều cao tầng ($h$), chiều dài bloc khai thác ($L_K$), chiều rộng dải khấu tối thiểu ($B_{\min}$), năng suất máy xúc ($Q_x$) và tốc độ đào hào chuẩn bị ($V_t, V_c$). Khi tăng chiều dài bloc và năng suất xúc bốc, tốc độ xuống sâu tăng tỷ lệ thuận, tạo điều kiện hạ thấp đáy mỏ an toàn.
- Hoàn thiện công nghệ khai thác với góc nghiêng bờ công tác cao: Xác định bề rộng mặt bằng công tác tối thiểu $B_{\min}$ cho hai trường hợp đất đá không cần khoan nổ mìn và đất đá phải làm tơi bằng khoan nổ mìn. Thiết lập mô hình tối ưu hóa góc nghiêng bờ công tác $\varphi$ gắn với hệ số dự trữ ổn định bờ mỏ ($n$) và hàm mục tiêu lợi nhuận ($L$).
- Khai thác đáy mỏ hai cấp và phân vùng theo mùa: Xây dựng sơ đồ công nghệ khai thác đáy mỏ hai cấp cho các mỏ có chiều dài đường phương lớn; thiết lập giải pháp phân khu vực khai thác theo mùa mưa và mùa khô nhằm giảm thiểu tác động ngập lụt đáy mỏ.
- Sơ đồ khoan nổ mìn và xúc bốc chọn lọc:
- Đề xuất các sơ đồ nổ mìn: nổ tách quặng và đá bằng lỗ khoan nghiêng; nổ mìn đồng thời giữ nguyên cấu trúc thân quặng đơn và chùm thân quặng; nổ mìn vi sai phân tầng; nổ mìn vi sai trong lỗ khoan và nổ tách quặng đá theo dải cụt.
- Xây dựng thuật toán xác định chiều cao xúc chọn lọc của máy xúc thủy lực gàu ngược dựa trên góc cắm vỉa quặng ($\alpha$), bán kính và tầm với của máy xúc khi đứng ở các vị trí khác nhau (đứng bên vách xúc gương dưới, đứng xúc gương trên, hoặc đứng trên nóc tầng quặng).
- Phân tích chi phí sản xuất của máy xúc thủy lực gàu ngược theo dung tích gàu đối với thân quặng dốc thoải, dốc nghiêng và dốc đứng.
- Phương pháp lựa chọn đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải trên nền đất yếu:
- Phân tích tương tác cơ học: xác định áp lực bánh xe ô tô tác động lên mặt đường ($P_a$) so với ứng suất tự nhiên và sức chịu tải của nền đất yếu ($[\sigma]$).
- Đảo ngược quy trình lựa chọn truyền thống: đối với mỏ có tầng đất yếu dày, quy trình bắt buộc là xác định loại và tải trọng ô tô phù hợp với sức chịu tải nền đường trước, sau đó mới tính toán lựa chọn loại và dung tích gàu máy xúc, xác định số lượng ô tô phục vụ một máy xúc và kiểm tra lực cản xúc cắt $K_F$.
Chương 4: Tính toán áp dụng cho mỏ quặng sắt Thạch Khê
Chương 4 áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết vào điều kiện cụ thể của mỏ sắt Thạch Khê (Hà Tĩnh). Các thông số biên giới khai trường Thạch Khê gồm: chiều dài khai trường 3.350 m, chiều rộng 2.100 m, diện tích 48,87 ha, cốt cao đáy mỏ kết thúc -550 m, chiều cao bờ mỏ 555 m, khai thác hoàn toàn dưới mức thoát nước tự chảy. Trữ lượng quặng địa chất đạt 544,08 triệu tấn, trữ lượng nguyên khai 370,90 triệu tấn, hệ số bóc đất đá trung bình $K_{tb} = 1,79 \text{ m}^3/\text{tấn}$, sản lượng thiết kế 10 ÷ 15 triệu tấn/năm, thời gian khai thác 40 năm.
Bảng 2: Kết quả tính toán góc nghiêng bờ công tác mỏ Thạch Khê theo điều kiện địa kỹ thuật thay đổi
| Chiều cao bờ mỏ $H$ (m) | Lực dính kết $C$ ($\text{T/m}^2$) | Góc ma sát trong $\varphi$ (độ) | Dung trọng $\gamma$ ($\text{T/m}^3$) | Hệ số dự trữ ổn định $n$ | Góc nghiêng bờ công tác tối ưu (độ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 60 | 4,5 | 32 | 2,65 | 1,30 | 28°30' |
| 120 | 5,0 | 34 | 2,70 | 1,30 | 24°15' |
| 180 | 6,2 | 35 | 2,72 | 1,35 | 21°45' |
| 240 | 7,0 | 36 | 2,75 | 1,35 | 19°20' |
Sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán chiều cao xúc chọn lọc cho máy xúc thủy lực gàu ngược tại Thạch Khê cho thấy: khi góc cắm vỉa quặng biến thiên từ 30° đến 75°, chiều cao xúc chọn lọc hợp lý dao động từ 2,5 m đến 6,0 m; tổn thất quặng giảm xuống còn 3,2% ÷ 4,8% và độ làm nghèo duy trì ở mức 4,1% ÷ 5,5%.
Bảng 3: Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất yếu tại khai trường mỏ Thạch Khê
| Lớp đất | Tên đất đá | Dung trọng tự nhiên ($\text{g/cm}^3$) | Góc ma sát trong (độ) | Lực dính kết $C$ ($\text{kG/cm}^2$) | Độ ẩm tự nhiên (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Lớp 1 | Cát hạt mịn đến thô | 1,85 ÷ 1,92 | 28° ÷ 32° | 0,02 ÷ 0,05 | 18 ÷ 24 |
| Lớp 2 | Sét, sét pha dẻo mềm | 1,78 ÷ 1,84 | 12° ÷ 16° | 0,18 ÷ 0,25 | 26 ÷ 34 |
| Lớp 6 | Bột kết, sét kết phong hóa | 1,95 ÷ 2,10 | 20° ÷ 24° | 0,30 ÷ 0,42 | 16 ÷ 22 |
Bảng 4: Đánh giá áp lực bánh xe ô tô lên các lớp đất yếu mỏ Thạch Khê
| Loại ô tô | Hãng sản xuất | Tải trọng (tấn) | Áp lực tĩnh lên mặt đường ($\text{kG/cm}^2$) | Khả năng di chuyển trên lớp 1 | Khả năng di chuyển trên lớp 2 |
|---|---|---|---|---|---|
| CAT-773D | Caterpillar | 53,5 | 5,8 ÷ 6,2 | Lún sâu, cần cấp phối dày | Không di chuyển được |
| CAT-777D | Caterpillar | 90,0 | 6,8 ÷ 7,4 | Lún trượt nghiêm trọng | Không di chuyển được |
| HM400-2R | Komatsu | 36,5 | 3,1 ÷ 3,4 | Hoạt động tốt | Hoạt động được khi có cấp phối mỏng |
| HD465-7 | Komatsu | 55,0 | 5,6 ÷ 6,0 | Lún, cần rải cấp phối | Lầy lún |
Kết quả tính toán tối ưu hóa lựa chọn đồng bộ thiết bị:
- Đối với tầng đất yếu phủ bên trên: Sử dụng ô tô khung động khớp nối tải trọng 36,5 ÷ 40 tấn (như HM400-2R) phối hợp với máy xúc thủy lực gàu ngược dung tích gàu $E = 2,5 \div 4,0 \text{ m}^3$.
- Đối với tầng đá cứng và quặng gốc phía dưới: Sử dụng máy xúc thủy lực gàu ngược và gàu thuận dung tích $E = 5,0 \div 6,5 \text{ m}^3$ kết hợp ô tô tự đổ khung cứng tải trọng 55 ÷ 90 tấn.
Kết quả và những đóng góp mới
- Các đóng góp mới của luận án:
- Đã đề xuất được phương pháp phân loại mức độ phức tạp đối với các mỏ quặng sắt lộ thiên Việt Nam theo nguồn gốc thành tạo và yếu tố địa chất, địa chất thủy văn (chia thành 3 nhóm: Đơn giản, Phức tạp, Rất phức tạp), làm cơ sở khoa học để định hướng và lựa chọn công nghệ, thiết bị khai thác phù hợp cho từng mỏ.
- Đã xây dựng được phương pháp xác định góc nghiêng bờ công tác cho hệ thống khai thác có góc nghiêng bờ công tác lớn khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy phù hợp với điều kiện tự nhiên các mỏ quặng sắt Việt Nam.
- Đã xây dựng được các sơ đồ khai thác chọn lọc (bao gồm các sơ đồ khoan nổ mìn vi sai phân tách quặng - đá và sơ đồ xúc chọn lọc bằng máy xúc thủy lực gàu ngược) phù hợp với điều kiện tự nhiên phức tạp của các mỏ quặng sắt Việt Nam khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy.
- Đề xuất phương pháp lựa chọn đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải phù hợp với điều kiện các mỏ quặng sắt Việt Nam khai thác trên nền đất yếu, xác lập nguyên tắc ưu tiên lựa chọn ô tô theo sức chịu tải nền trước khi chọn máy xúc.
- Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Các mỏ quặng sắt lộ thiên cần chuyển đổi công nghệ làm tơi từ nổ mìn tức thời sang công nghệ nổ mìn vi sai phi điện nhiều hàng, sử dụng các sơ đồ nổ tách quặng và nổ giữ nguyên cấu trúc.
- Thay thế các dòng máy khoan đập cáp cũ (KZ, DK) bằng máy khoan xoay đập thủy lực có đường kính lỗ khoan phù hợp ($D = 105 \div 165\text{ mm}$) để tăng độ cơ động và chất lượng bãi nổ.
- Áp dụng hệ thống khai thác đáy mỏ hai cấp và phân vùng khai thác theo mùa đối với các mỏ có chiều dài đường phương lớn nhằm chủ động thoát nước trong mùa mưa bão.
- Tại mỏ sắt Thạch Khê, phân định rõ hai dây chuyền thiết bị: dây chuyền ô tô khung động áp lực thấp trên tầng cát sét yếu và dây chuyền thiết bị công suất lớn trên tầng đá cứng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Các tính toán thực nghiệm và kiểm chứng mô hình chuyên sâu tập trung chủ yếu vào số liệu mỏ quặng sắt Thạch Khê và số liệu thử nghiệm giai đoạn 2008–2009; mức độ kiểm chứng thực tế tại các mỏ quy mô nhỏ hơn ở vùng núi phía Bắc còn hạn chế.
- Luận án chưa đi sâu phân tích chi tiết ảnh hưởng động lực học của hiện tượng bục nước karst áp lực cao trong điều kiện ngập lụt cực đoan dưới đáy mỏ sâu hơn -200 m.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nghiên cứu hoàn thiện mô hình tương tác động giữa công tác tháo khô nhân tạo hạ mực nước ngầm sâu với độ ổn định bờ mỏ tổng thể trong suốt vòng đời mỏ.
- Mở rộng ứng dụng thuật toán xúc chọn lọc và phần mềm tối ưu hóa đồng bộ thiết bị cho các khoáng sàng kim loại màu khác có cấu trúc địa chất tương tự tại Việt Nam.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng thụ hưởng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khai thác mỏ, Kỹ thuật địa chất, Cơ học đất đá sử dụng làm tài liệu học tập và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ khai thác mỏ lộ thiên dưới mức tự chảy.
- Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật địa chất - mỏ tham khảo trong giảng dạy các học phần Hệ thống khai thác lộ thiên, Khoan nổ mìn, Thiết bị mỏ.
- Kỹ sư thiết kế mỏ, cán bộ quản lý kỹ thuật tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp khai khoáng (Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam, Tổng công ty Thép Việt Nam, Công ty Cổ phần Sắt Thạch Khê...) áp dụng trong công tác lập dự án đầu tư, thiết kế khai trường và điều hành sản xuất thực tế.
- Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
- Bảng phân loại 3 nhóm mỏ quặng sắt theo điều kiện tự nhiên và địa chất thủy văn (Chương 1).
- Thuật toán và phần mềm tính toán chiều cao xúc chọn lọc của máy xúc thủy lực gàu ngược theo góc cắm thân quặng (Chương 3).
- Phương pháp luận lựa chọn thiết bị vận tải ô tô trên nền đất yếu trước khi xác định thông số máy xúc (Chương 3 và Chương 4).
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án phân chia các mỏ quặng sắt lộ thiên Việt Nam thành mấy nhóm mức độ phức tạp và dựa trên các tiêu chí nào?
Luận án phân chia thành 3 nhóm (Nhóm I: Đơn giản; Nhóm II: Phức tạp; Nhóm III: Rất phức tạp). Tiêu chí phân loại chính dựa trên 5 kiểu nguồn gốc thành tạo mỏ (magma, skarn, nhiệt dịch, trầm tích, tàn dư), kết hợp các tiêu chí phụ gồm: mô hình cấu trúc địa chất, góc dốc vỉa quặng ($\gamma \le 25^\circ$, $25^\circ \div 45^\circ$, hay $> 45^\circ$), vị trí vỉa so với mức xâm thực địa phương, lưu lượng nước chảy vào mỏ ($< 2000$, $2000 \div 5000$, hay $> 5000 \text{ m}^3/\text{h}$), áp lực nước lên trụ vỉa và tính chất cơ lý của đất đá vây quanh.
2. Tại sao đối với các mỏ khai thác trên nền đất yếu, luận án lại đảo ngược trình tự lựa chọn đồng bộ thiết bị truyền thống?
Theo quy trình truyền thống trên nền đá cứng, máy xúc được chọn trước theo sản lượng mỏ rồi mới chọn tải trọng ô tô. Tuy nhiên, trên nền đất yếu (như tầng cát sét phủ tại Thạch Khê), áp lực bánh xe của các ô tô tải trọng lớn khung cứng thông thường ($5,8 \div 7,4 \text{ kG/cm}^2$) vượt quá sức chịu tải của đất nền, dẫn đến sụt lún và tê liệt vận tải. Do đó, luận án xác lập nguyên tắc bắt buộc phải chọn loại và tải trọng ô tô (như ô tô khung động áp lực thấp $3,1 \div 3,4 \text{ kG/cm}^2$) phù hợp với nền đường trước, sau đó mới tính toán dung tích gàu máy xúc tương ứng để bảo đảm chu trình xúc bốc liên tục.
3. Hệ thống khai thác đáy mỏ hai cấp giải quyết bài toán kỹ thuật nào khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy?
Hệ thống đáy mỏ hai cấp chia đáy khai trường thành hai mức chênh lệch cao độ: một cấp phục vụ công tác xúc bốc quặng chính và một cấp đóng vai trò thu gom bùn nước cục bộ đặt hệ thống trạm bơm tháo khô. Giải pháp này ngăn chặn hiện tượng ngập úng toàn bộ mặt bằng sản xuất trong mùa mưa lũ nhiệt đới, tạo điều kiện cho máy xúc thủy lực gàu ngược duy trì tiến độ bóc đất và khấu quặng an toàn mà không làm gián đoạn sản xuất.
4. Luận án đề xuất những sơ đồ khoan nổ mìn nào để giảm tổn thất và làm nghèo quặng sắt gốc?
Luận án đề xuất 5 sơ đồ khoan nổ mìn chọn lọc: nổ tách quặng và đá sử dụng lỗ khoan nghiêng bám theo ranh giới tiếp xúc; nổ mìn đồng thời giữ nguyên cấu trúc cho thân quặng đơn; nổ mìn đồng thời giữ nguyên cấu trúc cho chùm thân quặng phân bố gần nhau; nổ mìn tách theo phân tầng; và nổ tách quặng đá bằng phương pháp nổ vi sai trong lỗ khoan hoặc nổ theo dải cụt.
5. Kết quả tính toán đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải tối ưu cho mỏ sắt Thạch Khê là gì?
Đối với tầng phủ cát sét yếu bên trên, tổ hợp tối ưu gồm máy xúc thủy lực gàu ngược dung tích gàu $E = 2,5 \div 4,0 \text{ m}^3$ phối hợp ô tô khung động khớp nối tải trọng 36,5 ÷ 40 tấn (HM400-2R). Đối với tầng đá cứng và thân quặng gốc dưới sâu, tổ hợp tối ưu là máy xúc thủy lực dung tích gàu $E = 5,0 \div 6,5 \text{ m}^3$ kết hợp ô tô tự đổ tải trọng 55 ÷ 90 tấn.
Kết luận
Luận án của tác giả Lưu Văn Thực đã giải quyết một cách có hệ thống các vấn đề công nghệ khai thác lộ thiên quặng sắt trong điều kiện địa chất và địa chất thủy văn phức tạp tại Việt Nam. Công trình đã xác lập cơ sở khoa học cho việc phân loại mỏ, hoàn thiện công nghệ bờ công tác dốc lớn, xây dựng các giải pháp khoan nổ và xúc bốc chọn lọc, cùng thuật toán tối ưu hóa đồng bộ thiết bị máy xúc – ô tô trên nền đất yếu. Các kết quả tính toán áp dụng thành công cho mỏ sắt Thạch Khê cung cấp căn cứ kỹ thuật quan trọng phục vụ công tác thiết kế, mở rộng và nâng cao hiệu quả khai thác tại các mỏ quặng sắt lộ thiên trên phạm vi toàn quốc.