Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nông Việt Hùng, với 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", được thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phùng Mạnh Đắc và PGS.TS Đặng Vũ Chí. Công trình thuộc ngành Khai thác mỏ, mã số 9520603, bảo vệ năm 2018. Toàn văn luận án gồm 105 trang A4, tích hợp 43 bảng biểu, 61 hình vẽ/biểu đồ, 103 tài liệu tham khảo và 12 công trình khoa học đã được công bố liên quan trực tiếp đến đề tài.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, sản lượng than toàn ngành phấn đấu đạt trên 80 triệu tấn vào năm 2025. Tuy nhiên, phần lớn các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh phải khai thác trong điều kiện địa chất phức tạp, biến động lớn về góc dốc và chiều dày, nhiều phay phá kiến tạo và diện tích khai thác ngày càng xuống sâu. Tại thời điểm nghiên cứu, sản lượng than khai thác bằng công nghệ cơ giới hóa (CGH) đồng bộ toàn ngành chỉ đạt khoảng 3%, trong khi công nghệ thủ công và bán cơ giới hóa vẫn chiếm tới 97%.

Trữ lượng than nằm trong các vỉa dày, dốc thoải và nghiêng (góc dốc nhỏ hơn 35°) chiếm tới 44,41% tổng trữ lượng quy hoạch tại các mỏ hầm lò lớn vùng Quảng Ninh (tương đương khoảng 280 triệu tấn trong tổng số 630 triệu tấn trữ lượng toàn vùng), tập trung nhiều nhất ở các mỏ than Hà Lầm, Núi Béo, Hạ Long, Vàng Danh, Nam Mẫu, Khe Chàm và Thống Nhất. Mặc dù công nghệ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than nóc đã được thử nghiệm tại mỏ Vàng Danh (từ năm 2008), Nam Mẫu (từ năm 2010) và Hà Lầm (từ năm 2015), nhưng việc xác định các thông số công nghệ cốt lõi như chiều cao khấu gương, chiều cao lớp than hạ trần, tỷ lệ khấu - hạ trần và bước thu hồi than hạ trần còn nhiều bất cập, dẫn đến tổn thất than cao, năng suất chưa đạt công suất thiết kế hoặc phát sinh sự cố kỹ thuật. Do đó, việc hoàn thiện các thông số công nghệ khai thác lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than cho điều kiện cụ thể tại Quảng Ninh là yêu cầu kỹ thuật cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu

Xác định các thông số công nghệ hợp lý đối với lò chợ cơ giới hóa 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thông số công nghệ trong lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần thu hồi than nóc (chủ yếu là chiều cao lớp than hạ trần, chiều cao khấu gương, tỷ lệ khấu - hạ trần và bước thu hồi than hạ trần).
  • Phạm vi nghiên cứu: Các vỉa than dày, dốc thoải và nghiêng có góc dốc nhỏ hơn 35° thuộc các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, trong đó đối tượng khảo sát và áp dụng thực nghiệm trực tiếp là lò chợ cơ giới hóa tại vỉa 11 và vỉa 7 mỏ than Hà Lầm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, gần 50% trữ lượng than công nghiệp tập trung ở các vỉa dày trên 4 m. Công nghệ khai thác cơ giới hóa vỉa dày, dốc thoải và nghiêng phát triển theo hai nhóm giải pháp chính:

  1. Hệ thống khai thác chia lớp nghiêng theo vỉa: Áp dụng tại Nga (bể than Kuzbass với trữ lượng vỉa dày thoải - nghiêng đạt 47,8 tỷ tấn, nghiên cứu bởi các tác giả B.V. Gromov, A.Y. Ermakov, V.I. Kalinin, E.Y. Makhno, I.A. Shundulidi, V.V. Melnik, A.S. Solovyev), sử dụng các tổ hợp giàn chống KM-8V, KM-130V kết hợp trải lưới thép, hoặc giàn chống KM-81E, KM-120, 2UKP-5, 4KM-180; tại mỏ Velenje (Slovenia/Nam Tư cũ) khai thác vỉa dày đến 140 m, góc dốc 6–8° bằng sơ đồ chia lớp dày 20 m kết hợp lưu than phá nổ; tại Cộng hòa Séc áp dụng sơ đồ làm yếu nền than bằng khoan nổ mìn lỗ khoan dài đến 17 m từ các cúp lò.
  2. Hệ thống khai thác lò chợ hạ trần thu hồi than nóc:
    • Tổ hợp giàn chống 1 máng cào (thu hồi trước): Điển hình là các tổ hợp KTU, KNKM (Nga), VHP-731 (Hungary). Hạn chế lớn là cửa tháo đặt gần gương, gây bụi, khó chuẩn bị độ vỡ vụn của than và tỷ lệ tổn thất than phía sau lớn.
    • Tổ hợp giàn chống 2 máng cào (thu hồi than nóc bằng máng cào sau): Điển hình là tổ hợp OKPV-70, KM-81V (Nga), ZFS, ZF (Trung Quốc). Tại Trung Quốc, công nghệ hạ trần phát triển từ năm 1982 và hoàn thiện từ năm 1995, được áp dụng tại các mỏ như Jining No.3 (vỉa 7 m, khấu 3 m, hạ trần 4 m, sản lượng đạt 15.000 tấn/ngày), Dongtan (vỉa 6 m, sản lượng 16.000 tấn/ngày), Gaohe (vỉa 6,5 m, sản lượng 8.000 tấn/ngày), Tashan (vỉa dày 12–20 m, khấu 3,5 m, sản lượng đạt 35.000–50.000 tấn/ngày). Tại Úc, công nghệ thu hồi than hạ trần triển khai từ năm 2003 và áp dụng tại mỏ Austar từ năm 2006.

Các nghiên cứu trong nước

Các công trình nghiên cứu tiêu biểu về khai thác vỉa dày và hạ trần than nóc tại Việt Nam gồm:

  • Phùng Mạnh Đắc: Nghiên cứu quy luật dịch chuyển của than và đất đá trong phễu tháo than, lựa chọn phương pháp tháo than, xác định chiều dày lớp than hạ trần, khoảng cách cửa tháo và đề xuất sơ đồ công nghệ chia lớp hạ trần trong điều kiện địa chất phức tạp.
  • Trương Đức Dư: Xác định các thông số công nghệ cơ bản như góc nghiêng gương trần than, khoảng cách cửa tháo than, chiều dày vỉa tối đa khi áp dụng công nghệ giá thủy lực di động hạ trần.
  • Vũ Thái Tiến Dũng: Nghiên cứu chiều dày lớp than hạ trần hợp lý, đánh giá khả năng sập đổ của đá vách và ảnh hưởng của góc mặt trượt trần than đến hệ số thu hồi than.

Khoảng trống nghiên cứu của luận án

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào loại hình chống giữ bằng giá chống thủy lực di động, giá khung, giá xích hoặc tổ hợp 1 máng cào với công suất lò chợ hạn chế. Khi chuyển sang áp dụng tổ hợp cơ giới hóa đồng bộ công suất lớn (máy khấu kết hợp giàn chống tự hành 2 máng cào độc lập), sự tương tác giữa giàn chống, áp lực tựa mỏ, bước thu hồi than hạ trần và tỷ lệ khấu - hạ trần trong điều kiện biến động chiều dày vỉa lớn (>10 m đến gần 20 m) tại Quảng Ninh chưa có các định lượng cụ thể để tối ưu hóa tỷ lệ thu hồi và giảm tổn thất than.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình giải tích

  • Lý thuyết áp lực mỏ và sự phân bố áp lực tựa: Phân tích quy luật hình thành áp lực tựa phía trước và phía sau gương lò chợ khi tiến gương. Than nóc dịch chuyển và biến dạng qua 4 vùng liên tục:
    1. Vùng I (Vùng hoàn chỉnh - biến dạng đàn hồi): Nằm sâu phía trước gương, ứng suất nén lớn, nứt nẻ chưa phát triển rõ ràng.
    2. Vùng II (Vùng phát triển phá hủy - biến dạng dẻo): Nằm từ đỉnh áp lực tựa đến sát gương lò, than bị biến dạng nở hông, dịch chuyển ngang lớn hơn dịch chuyển thẳng đứng, dịch chuyển đứng tăng dần từ trên xuống dưới theo hàm số mũ so với khoảng cách đến gương.
    3. Vùng III (Vùng phát triển nứt gãy): Nằm trên xà nóc giàn chống, áp lực tựa giảm dần về 0 do giàn dỡ tải khi tiến, than nóc nứt nẻ mạnh, dịch chuyển ngang trên nóc đạt cực đại.
    4. Vùng IV (Vùng sập đổ vỡ vụn): Nằm phía sau đuôi giàn và trên cửa tháo than, phân tách thành vùng sập đổ ban đầu ($IV_1$) và vùng sập đổ kết thúc ($IV_2$). Than bên dưới vỡ hạt nhỏ, than bên trên tạo kết cấu bán vòm cần tác động lay động cơ học để sập đổ hoàn toàn.
  • Quy luật dòng chảy vật liệu hạt qua phễu tháo: Xác định vùng giao thoa giữa các phễu rút than, góc chảy tự nhiên $\beta$ và góc nghiêng mặt trượt trần than $\varphi$ ($\beta < \varphi \le 90^\circ$).
  • Mô hình dầm conson than nóc: Tính toán sức kháng uốn và ổn định của conson than nóc dưới tải trọng đá vách vỉa.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng cơ học đá, cơ học môi trường hạt rời để xây dựng mô hình cân bằng giới hạn, trạng thái ứng suất - biến dạng xung quanh lò chợ.
  2. Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm phân tích số chuyên ngành Phase 2 (mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến đàn - dẻo) để phân tích phân bố ứng suất, chuyển vị, vùng phá hủy dẻo xung quanh giàn chống và than nóc khi thay đổi bước thu hồi than ($r_{th} = 0,63\text{ m}; 1,26\text{ m}; 1,89\text{ m}$) và tỷ lệ khấu - hạ trần trên các vỉa có chiều dày 10 m, 15 m và 20 m.
  3. Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Thu thập số liệu địa chất, quan trắc biến dạng, áp lực mỏ tác dụng lên giàn chống, đo đạc tổn thất và sản lượng khai thác thực tế tại các lò chợ cơ giới hóa vỉa 11 (lò chợ 11-1.1) và vỉa 7 (lò chợ 7-2) thuộc Công ty than Hà Lầm.
  4. Phương pháp thống kê, tổng hợp và so sánh: Đánh giá số liệu thực tế qua nhiều năm của các mỏ than Vàng Danh, Nam Mẫu, Hà Lầm và so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật với các công nghệ chống giữ truyền thống.

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 các kinh nghiệm thực tế về việc áp dụng cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than nóc:

  • Thực tiễn áp dụng giàn chống 1 máng cào tại Việt Nam:
    • Mỏ Vàng Danh (lò chợ II-8-2 vỉa 8): Triển khai từ 01/2008 đến 12/2013 chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn I (12/2007–03/2008, 30 giàn Vinaalta, máy MG-200W1, máng SGB-620) đạt sản lượng 21.341 tấn. Giai đoạn II (06/2008–12/2013, 80 giàn Vinaalta, máy MB-450E, máng DSS-260) khai thác đạt 458.939 tấn. Lò chợ gặp nhiều sự cố: đá kẹp bột kết dày 0,4–0,8 m phải nổ mìn, đá trụ nổi cao 0,3–2,6 m, nước ngập mùa mưa lưu lượng 30–394 $\text{m}^3/\text{h}$, khấu vê góc 35–70° gây gãy chốt và đứt xích máng cào.
    • Mỏ Nam Mẫu: Triển khai từ 08/2010 đến 06/2015 tại 4 lò chợ (3 lò vỉa 6, 1 lò vỉa 5), khai thác 59 tháng (49 tháng chạy máy, 10 tháng chuyển diện), tổng sản lượng đạt 665.000 tấn. Các hạn chế gặp phải: giàn trôi trượt khi góc dốc $>20^\circ$, khấu vượt 2 thượng mất 12 tháng năm 2012, trữ lượng lò chợ nhỏ (77.000 tấn/lò) dẫn đến phải chuyển diện hàng năm.
Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Mỏ Vàng Danh (1 máng cào) Mỏ Nam Mẫu (1 máng cào) Trung bình (1 máng cào)
Sản lượng bình quân tháng (tấn/tháng) 12.139 (2.640–21.802) 11.847 (1.540–23.000) 12.201
Công suất lò chợ thực tế (tấn/năm) 145.673 (128.476–204.788) 142.486 (64.201–204.788) 144.080
Năng suất lao động (tấn/công) 9,5 (3,6–10,8) 7,2 (3,1–11,3) 8,1
Tỷ lệ thu hồi than (%) 80,0–85,0 68,1–77,7 76,6
Tổn thất than (%) 15,0–20,0 22,3–31,9 23,4
Đạt % so với công suất thiết kế ~32,4% ~31,6% ~32,0%
  • Thực tiễn áp dụng giàn chống 2 máng cào tại Mỏ Hà Lầm:
    • Dây chuyền 1 (lò chợ 11-1.1 vỉa 11): Công suất thiết kế 600.000 tấn/năm, đưa vào hoạt động từ 05/2015. Vỉa dày trung bình 6,8 m; dốc 19°; chiều cao khấu 2,5 m; chiều dày hạ trần 5,5 m; bước tháo 0,63 m. Sử dụng 67 giàn ZF4400/16/28 và 6 giàn ZFG4800/18/28, máy khấu MG150/375-W, 2 máng cào SGZ630/264. Sản lượng bình quân đạt 91,6% thiết kế, tỷ lệ thu hồi bình quân 81,4%, năng suất lao động bình quân 19,6 tấn/công.
    • Dây chuyền 2 (lò chợ 7-2 vỉa 7): Công suất thiết kế 1,2 triệu tấn/năm, hoạt động từ 12/2016. Vỉa dày trung bình 18,56 m (diện đầu tiên 18,9 m); dốc 2–25°; chiều cao khấu 2,8 m; chiều dày hạ trần 15,07 m; bước tháo 0,63 m. Sản lượng tháng cao nhất đạt 83.946 tấn, tỷ lệ thu hồi than đạt 86,0%.
  • So sánh hệ thống khai thác chia lớp nghiêng và hạ trần than nóc:
Tiêu chí so sánh HTKT chia lớp nghiêng HTKT hạ trần than nóc (vỉa $\le 7\text{ m}$) HTKT hạ trần than nóc (vỉa $> 7\text{ m}$)
Năng suất lao động Thấp (-) Cao (+) Rất cao (++)
Tổn thất than Thấp (+) Cao (-) Trung bình (-)
Chi phí đào lò chuẩn bị Cao (-) Rất thấp (++) Rất thấp (++)
Mức độ tập trung sản xuất Thấp (-) Cao (+) Rất cao (++)
Chi phí năng lượng Cao (-) Thấp (++) Thấp (++)
Nhu cầu nhân lực Cao (-) Thấp (+) Rất thấp (++)

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

Chương 2 phân tích định lượng và cơ chế tác động của 8 nhóm yếu tố địa chất và kỹ thuật:

  1. Điều kiện kiến tạo: Mật độ đứt gãy lớn chia cắt vỉa thành các khối. Khoảng 27% trữ lượng thuộc khu vực hình tam giác phức tạp gây khó khăn cho lò chợ dài. Tuy nhiên, phá hủy kiến tạo làm đá vách bột kết/cát kết rắn chắc tại Hà Lầm (cường độ kháng nén 400–800 $\text{kG/cm}^2$) bị nứt nẻ mạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sập đổ trần than.
  2. Tính chất đá vách: Khi vách trực tiếp dễ sập, đá sập đổ tạo mặt trượt biên giới nghiêng 50–55°, hỗ trợ dẫn than vào máng cào sau và giảm tổn thất than. Ngược lại, khi đá vách cứng vững, hiện tượng treo vách cơ bản dạng dầm conson gây dồn tích áp lực mỏ (như lò chợ 87 vỉa 10 Hà Lầm có chu kỳ sập vách 6–7 m), dẫn đến lở gương, tụt nóc trước gương và tỷ lệ tổn thất than vượt quá 50%.
  3. Chiều dày vỉa than: Chiều dày trần than đóng vai trò là một dầm conson chịu tải. Trần than quá mỏng sát vách cứng dễ bị nghiền nát gây rỗng nóc; trần than quá dày ($>6\text{ m}$ đến trên 13 m) khiến vòm sập đổ elip bị lệch về phía phá hỏa, phần than nóc ở tầng cao nhất không thể tự chảy vào cửa tháo, gây tổn thất than cục bộ lớn.
  4. Chiều rộng bước hạ trần ($r_{th}$): Bước hạ trần là cự ly giữa 2 lần mở cửa tháo than theo phương tiến lò chợ. Bước quá lớn ($r_{th} = 3r$) khiến đá phá hỏa lẫn vào than và bít kín cửa tháo; bước quá nhỏ ($r_{th} = r$) với vỉa rất dày sẽ hạn chế chiều cao sập đổ của khối than nóc phía trên, khiến đá tràn vào chặn trước than.
  5. Khoảng cách cửa tháo than: Quyết định sự giao thoa giữa các phễu rút than. Bố trí khoảng cách không phù hợp với chiều dày hạ trần sẽ tạo các trụ than sót nằm giữa các phễu tháo hoặc sau đuôi giàn chống.
  6. Góc nghiêng gương trần than ($\varphi$):
    • Khi gương trần than nghiêng về phía trước ($\beta < \varphi \le 90^\circ$), dòng than chảy trượt thuận lợi theo mặt xà giàn chống vào máng cào sau. Khi giảm góc $\varphi$ từ 90° xuống 40° (xấp xỉ góc đổ tự nhiên của than), mức độ tổn thất than giảm từ 2,5 đến 3 lần.
    • Khi gương nghiêng về phía phá hỏa, áp lực mỏ tác dụng lên gương lò tăng mạnh, than hạ trần bị lẫn đá phá hỏa nghiêm trọng.
  7. Kết cấu giàn chống và cơ cấu thu hồi: Giàn chống 2 máng cào thu hồi phía sau nền lò kết hợp dầm chắn lay động cơ học cho hiệu quả vượt trội so với giàn cửa tháo trên đỉnh hoặc cửa tháo ở giữa xà dầm chắn.
  8. Góc dốc vỉa: Giàn chống và thiết bị cơ giới hóa làm việc ổn định khi góc dốc vỉa dọc lò chợ nhỏ hơn 18–20° và góc dốc theo phương tiến khấu nhỏ hơn 15°. Góc dốc lớn hơn làm tăng hiện tượng trượt giàn, 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 sử dụng phần mềm Phase 2 để xây dựng các mô hình số phân tích bài toán đàn - dẻo phẳng, kiểm chứng tính đúng đắn với lời giải giải tích (sai số chuyển vị và ứng suất nằm trong giới hạn cho phép với $\Delta = 0^\circ$).

  • Khảo sát bước thu hồi than hạ trần ($r_{th}$): Thực hiện mô phỏng với bước khấu đơn của tang máy khấu $r = 0,63\text{ m}$, biến thiên bước hạ trần tại 3 mức: $r_{th} = r = 0,63\text{ m}$; $r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$; $r_{th} = 3r = 1,89\text{ m}$ trên các mô hình vỉa dày 10 m, 15 m và 20 m:

    • Đối với vỉa dày $\le 13\text{ m}$ (khảo sát tại chiều dày 10 m, chiều cao khấu 2,8 m): Bước thu hồi $r_{th} = 0,63\text{ m}$ cho tỷ lệ thu hồi than nóc cao nhất và mức độ lẫn đá thấp nhất. Nếu tăng bước hạ trần lên $1,26\text{ m}$ và $1,89\text{ m}$, mức độ tổn thất than và tỷ lệ lẫn đá tăng rõ rệt do đá vách sập tràn qua cửa tháo.
    • Đối với vỉa dày $> 13\text{ m}$ (khảo sát tại chiều dày 15 m và 20 m): Bước thu hồi $r_{th} = 1,26\text{ m}$ ($2r$) cho tỷ lệ thu hồi than tối ưu. Lúc này, khoảng không gian phía sau giàn đủ rộng để khối than hạ trần tầng cao sập đổ và phát triển hoàn toàn vòm phá hủy trước khi mở cửa tháo than. Bước $r_{th} = 1,89\text{ m}$ làm gia tăng đột biến lượng đá phá hỏa lẫn vào than.

  • Khảo sát tỷ lệ khấu - hạ trần: Tiến hành mô phỏng số với các dải tỷ lệ khấu - hạ trần khác nhau: 1:2,1; 1:2,5; 1:3,0; 1:3,7; 1:4,3; 1:5,0; 1:5,2; 1:6,1; 1:7,0 ứng với các chiều cao khấu gương từ 2,5 m đến 3,2 m:

    • Tỷ lệ thu hồi than nóc đạt cực đại và tổn thất than đạt giá trị nhỏ nhất khi tỷ lệ giữa chiều cao khấu gương và chiều cao lớp than hạ trần đạt giá trị tương quan thực nghiệm lý tưởng là 1:2,5.
    • Khi tỷ lệ khấu - hạ trần vượt quá 1:5 (chiều cao lớp than hạ trần gấp hơn 5 lần chiều cao khấu), khả năng kiểm soát độ sập than nóc giảm, than tầng trên bị nén ép kẹt lại trong không gian phá hỏa, làm tỷ lệ thu hồi than tổng thể suy giảm nhanh chóng.

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 áp dụng và kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số vào điều kiện thực tế tại lò chợ 7-2 vỉa 7 mỏ than Hà Lầm:

  • Đặc điểm khu vực thử nghiệm:
    • Vỉa 7 có chiều dày biến động từ 2,35 m đến 30,24 m (trung bình 18,56 m; trong diện khai thác lò chợ 7-2 chiều dày trung bình đạt 18,9 m). Góc dốc vỉa 2–25° (trung bình 15°). Chiều dài lò chợ theo hướng dốc là 154 m, chiều dài theo phương là 750 m.
    • Trang thiết bị: Giàn chống tự hành hạ trần 2 máng cào độc lập, máy khấu than, máng cào trước và máng cào sau.
  • Thử nghiệm bước thu hồi than hạ trần tại hiện trường:
    • Theo dõi sản lượng, mức độ lẫn đá và tỷ lệ thu hồi tại 3 chế độ bước xả than: $r_{th} = 0,63\text{ m}$; $r_{th} = 1,26\text{ m}$; $r_{th} = 1,89\text{ m}$.
    • Kết quả thực nghiệm khẳng định với chiều dày vỉa thực tế tại lò chợ 7-2 đạt xấp xỉ 18,9 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, hạn chế tối đa ách tắc máng cào sau do đá tảng và cho tỷ lệ thu hồi than sạch cao nhất.
  • Thử nghiệm tỷ lệ khấu - hạ trần:
    • Khảo sát các chế độ chiều cao khấu gương: 2,5 m (tỷ lệ khấu - hạ trần 1:6,95); 2,8 m (tỷ lệ 1:5,68) và 3,2 m (tỷ lệ 1:4,84).
    • Kết quả cho thấy khi điều chỉnh tăng chiều cao khấu gương lên mức 2,8–3,2 m (để đưa tỷ lệ khấu - hạ trần tiệm cận gần hơn về miền tối ưu), tỷ lệ thu hồi than tổng thể của lò chợ 7-2 tăng từ 81,4% lên 86,0%, sản lượng tháng duy trì mức cao trên 80.000 tấn/tháng.

Kết quả và những đóng góp mới

Các luận điểm bảo vệ

  1. Luận điểm 1: Trong lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than nóc, khi chiều dày vỉa than nhỏ hơn 13 m ($m \le 13\text{ m}$), áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng bước khấu gương ($r_{th} = r = 0,63\text{ m}$) đạt hiệu quả kỹ thuật tốt nhất. Ngược lại, khi chiều dày vỉa than lớn hơn 13 m ($m > 13\text{ m}$), áp dụng bước thu hồi than hạ trần bằng 2 lần bước khấu gương ($r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$) mới đảm bảo hiệu quả thu hồi than tối ưu và giảm tổn thất.
  2. Luận điểm 2: Trong lò chợ sử dụng thiết bị cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than nóc, khả năng thu hồi than hạ trần đạt giá trị tối ưu khi tỷ lệ giữa chiều cao khấu gương và chiều cao lớp than hạ trần đạt tỷ lệ tương quan thực nghiệm lý tưởng là 1:2,5.

Những đóng góp mới về khoa học và thực tiễn

  • Về mặt khoa học: Luận án bổ sung và làm sáng tỏ cơ sở khoa học về quy luật dịch chuyển, phân bố ứng suất và cơ chế sập vỡ của than nóc trong điều kiện khai thác lò chợ cơ giới hóa đồng bộ 2 máng cào tại các vỉa than dày, dốc thoải đến nghiêng. Xác lập được mối quan hệ định lượng giữa bước thu hồi than hạ trần, tỷ lệ khấu - hạ trần với chiều dày vỉa than và tỷ lệ thu hồi than.
  • Về mặt thực tiễn:
    • Xác định miền giá trị thông số công nghệ hợp lý (bước hạ trần $r_{th}$ và tỷ lệ khấu - hạ trần) cho các vỉa than dày tại vùng than Quảng Ninh.
    • Cung cấp cơ sở tính toán, thiết kế công nghệ và giải pháp kỹ thuật cho Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) trong việc vận hành hiệu quả các dây chuyền lò chợ cơ giới hóa đồng bộ công suất từ 0,6 đến 1,2 triệu tấn/năm (như tại mỏ Hà Lầm) và nhân rộng cho các mỏ hầm lò khác có điều kiện tương tự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung nghiên cứu trên đối tượng vỉa dày có góc dốc nhỏ hơn 35° tại vùng than Quảng Ninh, các phân tích thực nghiệm và kiểm chứng công nghệ chuyên sâu chủ yếu thực hiện trên tổ hợp thiết bị cơ giới hóa đồng bộ giàn chống tự hành 2 máng cào tại vỉa 11 và vỉa 7 mỏ than Hà Lầm. Chưa mở rộng đánh giá đối với các vỉa than có độ kiên cố của than quá cao đòi hỏi phải nổ mìn phá vỡ cưỡng bức quy mô lớn trên toàn tuyến lò chợ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện thông số công nghệ cơ giới hóa hạ trần cho các vỉa than dày dốc nghiêng ($35^\circ \le \alpha \le 55^\circ$) và dốc đứng.
    • Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật kiểm soát và xử lý đá kẹp cứng, hiện tượng tụt lở nóc gương cục bộ khi khai thác cơ giới hóa ở các khu vực có biến động phay phá kiến tạo phức tạp và ngậm nước lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho:

  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý mỏ: Sử dụng các thông số về bước hạ trần ($r_{th} = 0,63\text{ m}$ hoặc $1,26\text{ m}$) và tỷ lệ khấu - hạ trần (1:2,5) để thiết kế hộ chiếu khai thác, lập quy trình vận hành lò chợ cơ giới hóa đồng bộ tại các đơn vị thành viên của TKV.
  • Các viện nghiên cứu và tư vấn thiết kế: Ứng dụng phương pháp mô phỏng số bằng Phase 2 kết hợp đo đạc hiện trường trong việc tính toán tải trọng áp lực mỏ, lựa chọn kết cấu giàn chống tự hành (loại 1 máng cào hay 2 máng cào) phù hợp với chiều dày vỉa.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Khai thác mỏ Hầm lò: Tham khảo cơ sở lý thuyết về dịch biến than nóc qua 4 vùng, mô hình dầm conson và các bài toán cơ học đá liên quan đến khai thác hạ trần than nóc.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao lò chợ cơ giới hóa 1 máng cào tại Vàng Danh và Nam Mẫu đạt công suất thấp hơn nhiều so với thiết kế?

Công suất lò chợ tại Vàng Danh và Nam Mẫu chỉ đạt trung bình khoảng 142.000–145.000 tấn/năm (khoảng 32% công suất thiết kế 450.000 tấn/năm) do nhiều nguyên nhân:

  • Điều kiện địa chất: Gặp các lớp đá kẹp bột kết cứng (0,4–0,8 m) và đá trụ nổi cục bộ (0,3–2,6 m) buộc phải khoan nổ mìn căn tẩy làm gián đoạn sản xuất và hỏng thiết bị; lưu lượng nước ngập vào mùa mưa lớn (lên tới 394 $\text{m}^3/\text{h}$ tại Vàng Danh); góc dốc $>20^\circ$ làm trôi trượt giàn chống.
  • Kỹ thuật và công nghệ: Giàn chống 1 máng cào có cửa tháo đặt gần gương, gây bụi, khó xả than hạt lớn và tổn thất than phía sau cao; lò chợ phải khấu vê góc lớn (35–70° tại Vàng Danh) hoặc khấu vượt thượng vận tải kéo dài 12 tháng (tại Nam Mẫu); trữ lượng lò chợ nhỏ buộc phải dừng chuyển diện hàng năm (mất 2–3 tháng/lần).

2. Ưu thế cốt lõi của tổ hợp giàn chống 2 máng cào tại mỏ Hà Lầm là gì?

Tổ hợp giàn chống 2 máng cào (như mã hiệu ZF4400/16/28) tách biệt hoàn toàn hai tuyến vận tải: một tuyến máng cào trước phục vụ máy khấu cắt than tại gương và một tuyến máng cào sau đặt sát nền lò phía phá hỏa phục vụ tháo than hạ trần. Kết cấu này cho phép:

  • Quá trình khấu than tại gương và thu hồi than hạ trần diễn ra đồng thời, nâng cao đáng kể sản lượng lò chợ (đạt tới 83.946 tấn/tháng).
  • Máng cào sau nằm ở vị trí thấp kết hợp dầm chắn lay động giúp thu hồi triệt để than sập đổ, nâng tỷ lệ thu hồi than sạch lên 81,4%–86,0%, giảm thiểu bụi phát tán vào không gian làm việc của thợ mỏ.

3. Quy luật lựa chọn bước thu hồi than hạ trần ($r_{th}$) theo chiều dày vỉa được xác định như thế nào?

Từ kết quả mô phỏng số Phase 2 và thực nghiệm tại mỏ Hà Lầm:

  • Khi chiều dày vỉa than $m \le 13\text{ m}$: Bước thu hồi than hạ trần hợp lý là $r_{th} = r = 0,63\text{ m}$ (bằng 1 bước khấu gương). Bước tháo ngắn giúp thu hồi kịp thời khối than vỡ vụn trước khi đá vách sập tràn vào.
  • Khi chiều dày vỉa than $m > 13\text{ m}$: Bước thu hồi than hạ trần hợp lý là $r_{th} = 2r = 1,26\text{ m}$ (bằng 2 bước khấu gương). Bước tháo này tạo đủ không gian và thời gian để khối than nóc có chiều dày lớn sập đổ hoàn chỉnh theo kết cấu bán vòm, tối ưu hóa tỷ lệ thu hồi than và hạn chế tắc nghẽn cửa tháo.

4. Tỷ lệ khấu - hạ trần tối ưu được xác định trong luận án là bao nhiêu?

Luận án xác định tỷ lệ khấu - hạ trần thực nghiệm tối ưu là 1:2,5. Tại tỷ lệ này, chiều cao khấu gương bảo đảm không gian làm việc an toàn cho giàn chống và máy khấu, đồng thời chiều cao lớp than hạ trần nằm trong giới hạn tự sập đổ tối ưu dưới tác dụng của áp lực mỏ, giúp tỷ lệ thu hồi than nóc đạt cực đại và tổn thất than khai thác đạt mức thấp nhất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nông Việt Hùng đã giải quyết vấn đề khoa học và thực tiễn quan trọng về việc tối ưu hóa các thông số công nghệ khai thác lò chợ cơ giới hóa đồng bộ hạ trần than nóc trong điều kiện vỉa dày, dốc thoải và nghiêng tại vùng than Quảng Ninh. Công trình đã làm sáng tỏ quy luật phân bố áp lực mỏ, cơ chế dịch biến than nóc qua 4 vùng và xác lập chuẩn xác ranh giới áp dụng bước thu hồi than hạ trần ($r_{th} = 0,63\text{ m}$ cho vỉa $\le 13\text{ m}$ và $r_{th} = 1,26\text{ m}$ cho vỉa $> 13\text{ m}$) cùng tỷ lệ khấu - hạ trần lý tưởng 1:2,5. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thực tế tại vỉa 11 và vỉa 7 Công ty than Hà Lầm, nâng cao tỷ lệ thu hồi than lên 86%, đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lộ trình hiện đại hóa và nâng cao sản lượng khai thác than hầm lò tại Việt Nam.