Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nhữ Việt Tuấn, chuyên ngành Khai thác mỏ (mã số 62.03), được thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội năm 2017 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đỗ Mạnh Phong và TS Nguyễn Anh Tuấn. Đề tài tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật khai thác mỏ hầm lò: "Nghiên cứu và xác định các tham số hợp lý của hệ thống khai thác lò dọc vỉa phân tầng sử dụng dàn chống tự hành trong điều kiện vỉa dày dốc vùng Quảng Ninh".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong giai đoạn 2003 – 2013, sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh có sự tăng trưởng từ khoảng 18 triệu tấn lên hơn 46 triệu tấn (tăng hơn 2,5 lần), trong đó tỷ trọng khai thác hầm lò tăng từ 34% lên hơn 50%. Theo quy hoạch phát triển ngành than, tỷ trọng than hầm lò tiếp tục tăng từ 58% năm 2014 lên tới 88% vào năm 2030. Hiện nay, các vỉa than dày và dốc chiếm khoảng 10 ÷ 12% tổng sản lượng than khai thác hầm lò tại vùng Quảng Ninh. Công nghệ khai thác các vỉa này chủ yếu áp dụng hệ thống khai thác (HTKT) lò dọc vỉa phân tầng (DVPT) và chia lớp ngang nghiêng khấu bằng khoan nổ mìn (KNM), chống giữ bằng vì chống thủy lực đơn hoặc giá thủy lực di động. Mặc dù mức độ an toàn đã cải thiện so với phương pháp buồng khấu, song sản lượng khai thác (SLKT) và năng suất lao động (NSLĐ) trực tiếp còn thấp, tổn thất tài nguyên than lớn (thường từ 25% đến 45%).

Trên thế giới, HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống tự hành (DCTH) đã được áp dụng rộng rãi với nhiều giải pháp kỹ thuật và đồng bộ thiết bị cơ giới hóa (CGH), cho phép nâng cao chiều cao phân tầng khai thác (PTKT) và chiều dài theo phương khu khai thác (KKT). Ngược lại, tại vùng than Quảng Ninh, các công trình nghiên cứu về công nghệ CGH cho vỉa dày dốc còn hạn chế, các thử nghiệm áp dụng thực tế (như dàn KDT-1 tại mỏ Vàng Danh năm 2007 và dàn KDT-2 tại mỏ Hà Ráng năm 2012) diễn ra trong thời gian ngắn, thiếu tính liên tục do điều kiện địa chất phức tạp và nước mặt. Do đó, việc nghiên cứu xác định các tham số công nghệ hợp lý cùng đồng bộ thiết bị CGH phù hợp là yêu cầu cấp thiết từ thực tiễn sản xuất mỏ.

Mục tiêu nghiên cứu

Xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc 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 tham số công nghệ của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH, trọng tâm là hai tham số cơ bản: chiều cao phân tầng khai thác ($h$) và chiều dài theo phương khu khai thác ($L_{kt}$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Các vỉa than có chiều dày lớn hơn 3,5 m và góc dốc lớn hơn 45° thuộc các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các công trình nghiên cứu về HTKT lò DVPT cho vỉa dày dốc trên thế giới đã hình thành từ sớm với hai hướng tiếp cận công nghệ chính:

  1. Công nghệ thủ công và bán cơ giới hóa:

    • A. Xakharov (1982) tổng hợp, đánh giá ưu nhược điểm các HTKT gương ngắn trên thế giới, phân tích HTKT lò DVPT nổ mìn trong lỗ khoan dài tại bể than Pennsylvania (Hoa Kỳ) với chiều cao phân tầng đạt 35 m, NSLĐ đạt 28 tấn/công nhưng tổn thất than lên tới 35%.
    • Seviakov (1962) tổng hợp điều kiện địa chất mỏ và kết quả áp dụng các HTKT thủ công cho vỉa dày dốc tại bể than Kuzbass (Liên Xô cũ).
    • Xu Yong Qi (1993) tổng kết kinh nghiệm khai thác các vỉa than dày dốc tại Trung Quốc bằng HTKT lò DVPT nổ mìn lỗ khoan ngắn tại mỏ Kailuan, đạt sản lượng 120 tấn/ca, tổn thất than 28%.
    • Các công trình tại Liên Xô cũ áp dụng HTKT lò DVPT kết hợp máy khoan đường kính lớn (PSO, đường kính $\phi 850\text{ mm}$), đạt NSLĐ 8 ÷ 15 tấn/công, tổn thất than 35 ÷ 45%.

  2. Công nghệ cơ giới hóa đồng bộ sử dụng dàn chống:

    • Tomasexki (1975) đề xuất hướng áp dụng thiết bị CGH đào lò và khai thác tại bể than Kuzbass.
    • Ardasev (1989) nghiên cứu bước sập đổ của đá vách và phương pháp điều khiển áp lực mỏ khi khai thác vỉa dốc.
    • Tại khu vực Prokopevsko-Kiselevsk (Nga), từ những năm 1970 đã thử nghiệm ba tổ hợp CGH: tổ hợp PKK (Nhà máy Chế tạo máy Kiselevsk), tổ hợp KPO (Viện Máy mỏ Siberi Sibgormash) và tổ hợp APV (Viện KuzNIUI) tại các mỏ Krasnokamensk và Trung Tâm (vỉa dày 6 ÷ 14 m, dốc 48° ÷ 64°, NSLĐ đạt 40 ÷ 95 tấn/công).
    • Viện Sibgormash (1975) tiếp tục chế tạo tổ hợp KPV thử nghiệm tại mỏ Bungurskaya đạt SLKT 700 tấn/ngày.
    • Công ty GEOTECH áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp dàn chống BMV-10 (Slovakia sản xuất) tại mỏ Kazimierz Juliusz (Ba Lan) cho vỉa dày 20 m, dốc 45°, chiều cao phân tầng 20 ÷ 40 m.
    • Viện Mỏ Siberi thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga nghiên cứu tổ hợp dàn chống KPV1 cho vùng than Kuznetsk, có cửa sổ thu hồi than lớn và bộ phận cấp liệu kiểu pít tông đẩy ngang.
    • Về cơ sở lý thuyết dịch chuyển dòng than: Ivanov B.A. (Đại học Mỏ Leningrad, 1949 – 1953 và 1969 – 1973) làm rõ quy luật dòng chảy than đá qua phễu thu hồi, dạng hình phễu xâm nhập hạt than đá (Paraboloid) và đề xuất cơ chế pít tông đẩy ngang để triệt tiêu phễu xâm nhập.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Ninh Quang Thành (1996, 2004) nghiên cứu tổng hợp điều kiện địa chất kỹ thuật các vỉa than dốc $\alpha > 35^\circ$ vùng Quảng Ninh, đề xuất HTKT lò DVPT sử dụng lỗ khoan lớn tại mỏ Mông Dương.
  • Đặng Văn Cương (2007) xác định chiều dày lớp than đệm giữa các phân tầng để trần than không bị phá hủy và tính toán chiều dài khu khai thác theo chu kỳ đào lò – khai thác thủ công.
  • Phùng Mạnh Đắc (2006) tổng hợp điều kiện kỹ thuật mỏ các vỉa dốc vùng Quảng Ninh, đề xuất HTKT lò DVPT nổ mìn lỗ khoan dài và các hệ thống sử dụng dàn chống.
  • Nguyễn Anh Tuấn (2007) đánh giá tổng hợp trữ lượng than các vỉa dày dốc lớn hơn 45° vùng Quảng Ninh, đề xuất CGH khai thác kết hợp máy combain và nổ mìn lỗ khoan dài cho vỉa dày 3,5 ÷ 6,0 m.
  • Nhữ Việt Tuấn (2008, 2012) nghiên cứu nâng cao chiều cao phân tầng bằng lỗ khoan lớn tại mỏ Đồng Vông; theo dõi, thiết kế áp dụng tổ hợp dàn chống KDT-2 tại mỏ than Hà Ráng.

Khoảng trống nghiên cứu

Các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào công nghệ khai thác thủ công hoặc đánh giá các tham số kỹ thuật riêng lẻ (như chiều cao phân tầng cho phương pháp khoan nổ mìn lỗ ngắn). Chưa có công trình nào thiết lập được hệ thống các hàm số toán học phản ánh mối quan hệ tương quan đồng thời giữa các yếu tố địa chất mỏ, kết cấu thiết bị CGH với hai tham số cơ bản (chiều cao phân tầng và chiều dài khu khai thác) của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện vỉa dày dốc Quảng Ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết dịch chuyển than đá và áp lực mỏ khi hạ trần: Luận án kế thừa mô hình lý thuyết dòng than dịch chuyển dạng Paraboloid của Ivanov B.A. Trong quá trình tháo than hạ trần, than và đá vách dịch chuyển hình thành phễu xâm nhập; đá phá hỏa thâm nhập làm nghèo than và tạo ra các nêm than tổn thất nằm ngoài tầm với của cửa tháo.
  • Phương pháp phân loại điều kiện địa chất – mỏ: Sử dụng hệ thống chỉ tiêu định lượng gồm: hệ số biến động chiều dày vỉa ($V_m < 35%$ là thuận lợi), hệ số biến động góc dốc vỉa ($V_\alpha \le 20%$ là ổn định), hệ số phá hủy kiến tạo VNIMI ($k_1$, phân thành 4 loại từ cấp I đến IV), tỷ lệ đá kẹp ($K_{1k} < 10%$ là thuận lợi) và hệ số lớp kẹp ($K_{2k} \le 2$ là vỉa đơn giản).

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp mô hình vật lý bằng vật liệu tương đương: Chế tạo mô hình tỷ lệ hình học $C_L = 1/50$ trong khung thí nghiệm chuyên dụng để quan sát quá trình chuyển dịch, sập đổ của than nóc và đá vách, sự hình thành các khối than không thu hồi được tại nền lò và phía trụ vỉa.
  2. Phương pháp mô hình số: Ứng dụng phần mềm chuyên ngành cơ học đá PHACE2 để mô phỏng trạng thái ứng suất tự nhiên, ứng suất tập trung xung quanh lò dọc vỉa phân tầng, xác định vùng dập vỡ dẻo và chiều cao tự sập đổ của trần than tại các phân tầng khai thác cụ thể của vỉa 14 Núi Khánh (mỏ Hà Ráng).
  3. Phương pháp phân tích lý thuyết và giải tích: Thiết lập các phương trình cân bằng áp lực mỏ, tính toán sức kháng của dàn chống, kiểm tra khả năng lún ép của cột chống vào nền lò, và thiết lập các hàm mục tiêu tối ưu hóa chiều cao phân tầng ($h$) và chiều dài theo phương khu khai thác ($L_{kt}$).
  4. Phương pháp khảo sát hiện trường và thống kê so sánh: Đo đạc thu thập số liệu địa chất, điều kiện kỹ thuật mỏ thực tế tại mỏ Hà Ráng, mỏ Vàng Danh; sử dụng các phần mềm DATAFIT và EXCEL để phân tích hồi quy, xử lý số liệu.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực tế

  • Dữ liệu địa chất, địa tầng, trữ lượng từ Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam (TKV) và Viện Khoa học Công nghệ Mỏ.
  • Dữ liệu thử nghiệm thực tế của tổ hợp DCTH KDT-1 tại vỉa 7 mỏ Vàng Danh (năm 2007) và tổ hợp DCTH KDT-2 tại vỉa 14 mỏ Hà Ráng (năm 2012).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới và trong nước

Chương 1 hệ thống hóa các sơ đồ công nghệ lò DVPT trên thế giới (thủ công, lỗ khoan dài, kết hợp khoan đường kính lớn PSO, các tổ hợp CGH PKK, KPO, APV, KPV, BMV-10, KPV1). Đồng thời, tác giả tổng hợp toàn diện đặc điểm địa chất và hiện trạng khai thác bể than Quảng Ninh.

Theo tài liệu của luận án, địa tầng chứa than thuộc hệ Trias – Thống Thượng, hệ tầng Hòn Gai ($T_3n-rhg$). Phân loại độ bền nén của các lớp nham thạch trong địa tầng chứa than Quảng Ninh được tổng hợp như sau:

TT Tên đá và đặc điểm Độ bền nén max - min ($\text{KG/cm}^2$) Độ bền nén trung bình ($\text{KG/cm}^2$)
1 Sét kết phân lớp rất mỏng, bở, dễ hoá dẻo 100 ÷ 190 100 ÷ 150
2 Sét than phân lớp mỏng, thường kẹp than, mềm, dễ vỡ vụn 60 ÷ 100 < 100
3 Sét kết thường phân lớp mỏng 100 ÷ 410 150 ÷ 350
4 Bột kết phân lớp mỏng, kẹp chỉ than 90 ÷ 400 200 ÷ 340
5 Bột kết phân lớp mỏng 100 ÷ 480 150 ÷ 400
6 Bột kết phân lớp dày 210 ÷ 1200 400 ÷ 900
7 Cát kết hạt mịn 380 ÷ 2380 700 ÷ 1200
8 Cát kết hạt vừa 220 ÷ 2160 600 ÷ 1200
9 Cát kết hạt thô 600 ÷ 1990 600 ÷ 1100
10 Cuội sạn kết 760 ÷ 2770 600 ÷ 1400

Chất lượng than antraxít của bể than Quảng Ninh thể hiện qua các chỉ tiêu kỹ thuật:

TT Chỉ tiêu Ký hiệu Đơn vị Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình
1 Độ ẩm phân tích $W^{pt}$ % 0,87 2,18 1 ÷ 1,15
2 Độ tro khô $A^k$ % 9,73 23,64 16
3 Chất bốc $V^{ch}$ % 7,62 9,78 8,52
4 Nhiệt lượng $Q^{ch}$ kCal - - 8.300
5 Tỷ trọng $\gamma$ $\text{g/cm}^3$ 1,45 1,50 1,48
6 Lưu huỳnh $S^{ch}$ % 0,29 0,36 0,32

Về trữ lượng các vỉa than dày ($M > 3,5\text{ m}$), dốc ($\alpha > 45^\circ$) có khả năng áp dụng CGH khai thác tại Quảng Ninh (tính đến mức -300 m) được tổng hợp là 116.564,90 nghìn tấn. Trong đó:

  • Nhóm vỉa có chiều dày 5,0 ÷ 10,0 m chiếm tỷ lệ lớn nhất (48,8%), nhóm 3,5 ÷ 5,0 m chiếm 34,4%, nhóm vỉa $> 10\text{ m}$ chiếm 16,8%.
  • Nhóm vỉa có góc dốc 45° ÷ 55° chiếm 48,37% và nhóm góc dốc $> 55^\circ$ chiếm 51,63%.
  • Chiều dài theo phương KKT $> 800\text{ m}$ chiếm 55,7%, từ 300 ÷ 800 m chiếm 39,11%, dưới 300 m chỉ chiếm 5,2%.

Phân tích kết quả áp dụng thử nghiệm dàn KDT-1 tại mỏ Vàng Danh (2007) cho thấy SLKT đạt 200 ÷ 250 tấn/ngày đêm (tương đương 60.000 tấn/năm), NSLĐ đạt 12,5 tấn/công, hệ số thu hồi than hạ trần 80 ÷ 85%. Thử nghiệm dàn KDT-2 tại mỏ Hà Ráng (2012) đạt sản lượng 4.297 tấn/tháng, NSLĐ 7,4 tấn/công. Cả hai thử nghiệm đều bị gián đoạn do ảnh hưởng của nước mặt làm lún vì chống, bóp méo đường lò và khâu nạp mìn lỗ dài thủ công gặp nhiều khó khăn.

Chương 2: Nghiên cứu quá trình thu hồi than nóc trong HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống

Chương 2 trình bày các kết quả thực nghiệm trên mô hình vật liệu tương đương và mô phỏng số học:

  1. Kết quả trên mô hình vật liệu tương đương:

    • Xác định được quy luật dịch chuyển của dòng than: than nóc luôn chuyển động xuống trước, đá vách sập đổ rơi xuống sau theo một trật tự nhất định, không xảy ra hiện tượng hỗn loạn than và đá.
    • Phát hiện nguyên nhân chính gây tổn thất than: Trong quá trình thu hồi hạ trần, than bị mất chủ yếu do hình thành các lăng trụ tam giác than (nêm than) nằm dưới nền lò lặp lại có tính hệ thống theo chu kỳ hạ trần, cùng với lượng than bám dính phía trụ vỉa ổn định dưới góc dốc tự nhiên khoảng 73° ÷ 78°.
    • Đánh giá ảnh hưởng của các tham số: Tỷ lệ tổn thất than tăng khi bước hạ trần tăng và giảm khi chiều cao phân tầng tăng trong giới hạn kiểm soát được sập đổ; khi góc dốc vỉa tăng, lượng than tự chảy dồn về phía cửa tháo tốt hơn, giúp giảm tổn thất than bám trụ.

  2. Kết quả mô hình số (phần mềm PHACE2):

    • Mô phỏng ứng suất và biến dạng xung quanh lò DVPT tại vỉa 14 Núi Khánh (mỏ Hà Ráng).
    • Xác định vùng tập trung ứng suất tại biên lò và vách lò, chiều cao trần than tự sập đổ trên nóc lò DVPT sau khi khấu dải gương khai thác.
    • Chứng minh sự khác biệt giữa các phân tầng: Đá vách của phân tầng khai thác thứ hai trở đi luôn dễ sập đổ hơn so với phân tầng đầu tiên do khối đá vách bên trên đã chịu ảnh hưởng của các đợt nứt nẻ và dịch chuyển dập vỡ từ chu kỳ khai thác phân tầng trên truyền xuống.

Chương 3: Nghiên cứu, xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh

Chương 3 đề xuất giải pháp kỹ thuật, lựa chọn đồng bộ thiết bị CGH và xây dựng phương pháp giải tích xác định hai tham số công nghệ cốt lõi:

  1. Đề xuất đồng bộ thiết bị CGH:

    • Lựa chọn tổ hợp dàn chống tự hành KPV1 (hoặc kết cấu cải tiến có tính năng tương đương) gồm 02 dàn liên kết, có cửa sổ thu hồi than trên xà phá hỏa, tích hợp bộ phận cấp liệu dạng pít tông đẩy ngang để cưỡng bức và điều tiết dòng than thu hồi xuống máng cào trung gian, có tấm chắn bản lề kiểm soát đá phá hỏa.
    • Đồng bộ thiết bị phụ trợ bao gồm: máy combain đào lò AM-50Z, máy khoan thủy lực VPS-01, cầu chuyển tải SZB 730/40, băng tải co giãn DSJ 65/10/40, trạm bơm dung dịch nhũ hóa CHΛ90/32.

  2. Xác định chiều cao phân tầng khai thác ($h$):

    • Thiết lập hàm giải tích thể hiện mối quan hệ giữa chiều cao phân tầng với góc dốc vỉa ($\alpha$), tỷ lệ tổn thất than cho phép ($K_{tt}$) và bước hạ trần ($b_h$): chiều cao phân tầng tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa và tỷ lệ tổn thất than cho phép, tỷ lệ nghịch với bước hạ trần.
    • Chiều cao phân tầng có thể tăng lên đáng kể khi áp dụng dàn chống có cửa sổ thu hồi rộng kết hợp bộ phận pít tông cấp liệu tháo than đồng thời qua khe giữa các dàn.
    • Đối với điều kiện vỉa dày, dốc đặc trưng vùng Quảng Ninh (chiều dày vỉa $M = 7\text{ m}$, góc dốc vỉa $\alpha = 65^\circ$), chiều cao phân tầng khai thác hợp lý được xác định nằm trong phạm vi $h = 13,2 \div 23,5\text{ m}$.

  3. Xác định chiều dài theo phương khu khai thác ($L_{kt}$):

    • Xây dựng mô hình toán kinh tế – kỹ thuật xác định chiều dài khu khai thác dựa trên điều kiện phối hợp nhịp nhàng giữa tiến độ đào lò chuẩn bị và tốc độ khấu khai thác, đồng thời cực tiểu hóa chi phí duy tu bảo dưỡng đường lò dọc vỉa trong than.
    • Chiều dài theo phương khu khai thác tỷ lệ thuận với sản lượng khai thác của lò chợ, tỷ lệ nghịch với chiều cao phân tầng, phụ thuộc vào kết cấu chống giữ đường lò và độ kiên cố của than.
    • Trong điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ than vùng Quảng Ninh, chiều dài theo phương khu khai thác hợp lý khi sử dụng DCTH được xác định trong khoảng $L_{kt} = 130 \div 150\text{ m}$.

Chương 4: Kết quả áp dụng các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện cụ thể

Chương 4 thực hiện thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho vỉa 14 khu III Núi Khánh, mỏ Hà Ráng (Công ty Than Hạ Long).

  1. Các thông số thiết kế và tính toán kỹ thuật:

    • Vỉa có chiều dày trung bình $6,5\text{ m}$, góc dốc trung bình $56^\circ$. Chiều cao phân tầng lựa chọn $h = 15\text{ m}$, chiều dài khu khai thác $L_{kt} = 150\text{ m}$.
    • Khấu than gương kết hợp khoan nổ mìn hạ trần than nóc bằng lỗ khoan dài. Bước di chuyển dàn chống là $0,7\text{ m}$, bước hạ trần thu hồi than nóc là $1,4\text{ m}$.
    • Tính toán áp lực mỏ tác động lên dàn chống KPV1 và kiểm tra điều kiện chống lún của đế cột chống vào nền lò than – đá.
    • Xây dựng hộ chiếu khoan nổ mìn hạ trần, thiết kế mạng lưới lỗ khoan nổ mìn rẻ quạt, lập biểu đồ chu kỳ khai thác và tổ chức bố trí nhân lực cho lò chợ cơ giới hóa.

  2. So sánh các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật: Luận án đối chiếu giữa phương án thiết kế áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống KPV1 với phương án thực tế đang áp dụng tại mỏ là HTKT chia lớp ngang nghiêng sử dụng giá thủy lực di động (ZH):

TT Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Đơn vị Phương án thực tế tại mỏ (Giá ZH) Phương án thiết kế (Dàn KPV1)
1 Chiều dày vỉa m 6,5 6,5
2 Góc dốc vỉa độ 56 56
3 Sản lượng khai thác ngày đêm tấn/ng.đ 165 450 ÷ 500
4 Công suất lò chợ tấn/năm 50.000 135.000 ÷ 150.000
5 Năng suất lao động trực tiếp tấn/công 4,2 12,5 ÷ 14,0
6 Chi phí mét lò chuẩn bị cho 1000T m/1000T 45 18 ÷ 20
7 Chi phí gỗ cho 1000 tấn than $\text{m}^3\text{/1000T}$ 18 2,5
8 Chi phí thuốc nổ cho 1000T kg/1000T 420 250
9 Chi phí kíp nổ cho 1000T kíp/1000T 550 320
10 Tỷ lệ tổn thất than khai thác % 32 18 ÷ 20
11 Giá thành phân xưởng đ/tấn Cao hơn Giảm 22 ÷ 25%

Các kết quả tính toán chứng minh phương án sử dụng dàn chống KPV1 với các tham số hợp lý đã nâng công suất lò chợ lên gấp gần 3 lần, tăng năng suất lao động trực tiếp lên gấp khoảng 3 lần, giảm đáng kể chi phí đào lò, chi phí vật liệu nổ, chi phí gỗ và giảm tỷ lệ tổn thất than xuống dưới 20%.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  • Làm rõ bản chất quy luật chuyển động của khối than – đá hạ trần trong HTKT lò DVPT: than luôn dịch chuyển trước và đá vách sập đổ sau theo trật tự; đá vách ở phân tầng thứ hai trở đi luôn dễ sập đổ hơn so với phân tầng đầu tiên.
  • Xác định nguyên nhân hình thành tổn thất than có tính quy luật trong quá trình hạ trần là do các lăng trụ than hình tam giác (nêm than) tích tụ dưới nền lò sau mỗi chu kỳ hạ tháo than và lượng than bám sát vách/trụ ổn định dưới góc dốc tự nhiên từ 73° ÷ 78°.
  • Thiết lập hệ thống hàm số mô tả mối quan hệ định lượng giữa các tham số hình học mỏ, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật với chiều cao phân tầng ($h$) và chiều dài theo phương khu khai thác ($L_{kt}$), xác định được khoảng giá trị hợp lý của hai tham số này trong điều kiện vỉa dày dốc vùng Quảng Ninh.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Đề xuất đồng bộ thiết bị CGH phù hợp với vỉa than dày dốc vùng Quảng Ninh, trong đó hạt nhân là dàn chống tự hành có cửa sổ thu hồi than kết hợp pít tông cấp liệu đẩy ngang (như mẫu KPV1), máy combai đào lò AM-50Z và hệ thống vận tải liên tục.
  • Thiết lập giải pháp kỹ thuật công nghệ đồng bộ: hộ chiếu khoan nổ mìn hạ trần bằng lỗ khoan dài, quy trình hạ trần điều tiết dòng than, kiểm soát áp lực mỏ và chống lún chân cột dàn vào nền lò.
  • Đưa ra hồ sơ thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho vỉa 14 mỏ Hà Ráng, chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế so với công nghệ giá di động hiện hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các đợt thử nghiệm thực tế trước đây với tổ hợp dàn chống KDT-1 tại mỏ Vàng Danh và KDT-2 tại mỏ Hà Ráng chỉ diễn ra trong thời gian ngắn (khoảng 5 tháng tại Hà Ráng) do điều kiện thoát nước kém, ảnh hưởng nước mặt gây lún nền lò và biến dạng lò DVPT; do đó, số liệu quan trắc thực địa dài hạn đối với sự làm việc của dàn chống còn hạn chế.
  • Khâu nạp thuốc nổ và kíp nổ vào các lỗ khoan dài phục vụ hạ trần than trong các thử nghiệm thực tế vẫn thực hiện bằng phương pháp thủ công, tốn nhiều thời gian và làm giảm tính liên tục của chu kỳ khai thác cơ giới hóa.
  • Mô hình áp dụng dàn KPV1 mới dừng lại ở kết quả tính toán thiết kế kỹ thuật, chưa được triển khai chế tạo và thử nghiệm công nghiệp thực tế tại hiện trường mỏ than Việt Nam trong khuôn khổ thời gian của luận án.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu hoàn thiện và cơ giới hóa thiết bị nạp thuốc nổ, kíp nổ vào các chùm lỗ khoan dài hướng dốc và rẻ quạt để rút ngắn thời gian chuẩn bị hạ trần than.
  • Nghiên cứu các giải pháp thoát nước mặt, hạ mực nước ngầm và gia cường nền lò, bảo vệ các đường lò dọc vỉa phân tầng đào trong than nhằm chống bóp méo, đảm bảo tính ổn định trong suốt chu kỳ khai thác.
  • Tiến hành thử nghiệm công nghiệp đồng bộ thiết bị cơ giới hóa sử dụng dàn chống có pít tông cấp liệu tại một diện khai thác thực tế để hiệu chỉnh các thông số vận hành.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Cán bộ kỹ thuật và nhà quản lý mỏ: Các kỹ sư công nghệ khai thác mỏ hầm lò, phòng kỹ thuật công nghệ tại các mỏ có điều kiện vỉa dày dốc thuộc TKV (như mỏ Than Hạ Long, Vàng Danh, Mạo Khê, Nam Mẫu, Mông Dương, Khe Chàm).
  • Cơ quan tư vấn và thiết kế mỏ: Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (IMS), Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư Mỏ và Công nghiệp (VIMCC) trong công tác lập dự án đầu tư đổi mới công nghệ, thiết kế các diện khai thác cơ giới hóa.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Khai thác mỏ, Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, Cơ học đá tại các cơ sở đào tạo đại học và sau đại học (Trường Đại học Mỏ - Địa chất).

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Phương pháp luận kết hợp mô hình vật lý tương đương và mô hình số (phần mềm PHACE2) trong việc khảo sát quy luật sập đổ của khối than nóc và đá vách.
  • Công thức giải tích và quy trình tính toán xác định chiều cao phân tầng ($h$) và chiều dài theo phương khu khai thác ($L_{kt}$).
  • Hộ chiếu kỹ thuật khoan nổ mìn hạ trần than nóc bằng lỗ khoan dài và phương pháp tính toán sức kháng của dàn chống, kiểm tra chống lún đế cột vào nền lò.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân chính dẫn đến tổn thất than lớn trong HTKT lò DVPT theo kết quả nghiên cứu của luận án là gì?

Tổn thất than chủ yếu bắt nguồn từ hai yếu tố có tính quy luật cơ học: thứ nhất là sự hình thành các khối than hình lăng trụ tam giác (nêm than) nằm cố định dưới nền lò theo từng chu kỳ hạ trần vượt ra ngoài phạm vi thu gom của cửa tháo; thứ hai là lượng than nằm bám dính phía trụ vỉa ổn định dưới góc dốc tự nhiên từ 73° ÷ 78° không thể tự chảy vào dàn chống.

2. Các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH được luận án xác định cụ thể là bao nhiêu?

Đối với điều kiện địa chất – kỹ thuật đặc trưng của các vỉa dày dốc vùng Quảng Ninh (vỉa dày $7\text{ m}$, dốc $65^\circ$):

  • Chiều cao phân tầng khai thác ($h$) hợp lý nằm trong khoảng từ 13,2 m đến 23,5 m.
  • Chiều dài theo phương khu khai thác ($L_{kt}$) hợp lý nằm trong khoảng từ 130 m đến 150 m.

3. Đồng bộ thiết bị cơ giới hóa khai thác được đề xuất trong luận án gồm những chủng loại máy nào?

Đồng bộ thiết bị gồm:

  • Tổ hợp dàn chống tự hành KPV1 có cửa sổ tháo than trên xà phá hỏa và bộ phận tiếp liệu pít tông đẩy ngang.
  • Máy combain đào lò AM-50Z.
  • Máy khoan thủy lực VPS-01.
  • Cầu chuyển tải SZB 730/40.
  • Băng tải co giãn DSJ 65/10/40.
  • Trạm bơm dung dịch nhũ hóa áp lực cao CHΛ90/32.

4. Tại sao đá vách ở phân tầng khai thác thứ hai trở đi lại dễ sập đổ hơn so với phân tầng thứ nhất?

Khi khai thác phân tầng thứ nhất, đá vách ở trạng thái nguyên khối, liên kết chặt chẽ nên khó sập đổ tự do. Từ phân tầng thứ hai trở đi, khối đá vách bên trên đã chịu ảnh hưởng của các đợt biến dạng, nứt nẻ và dịch chuyển hạ trần từ chu kỳ khai thác phân tầng trên truyền xuống, làm suy giảm đáng kể độ bền cấu trúc và gia tăng các mặt trượt nứt nẻ, khiến đất đá dễ dàng sập đổ lấp đầy khoảng trống khai thác.

5. Vì sao các thử nghiệm dàn KDT-1 tại Vàng Danh và KDT-2 tại Hà Ráng trước đây chưa đạt được sự ổn định lâu dài?

Nguyên nhân chủ yếu do các diện thử nghiệm bị ảnh hưởng mạnh bởi nước mặt ngấm xuống qua phễu sập đổ làm mềm yếu nền lò, dẫn đến hiện tượng lún vì chống, bóp méo đường lò chuẩn bị và gây kẹt cứng trong khâu dịch chuyển dàn; đồng thời, việc nạp thuốc và kíp nổ vào các chùm lỗ khoan dài phải làm thủ công mất nhiều thời gian, làm gián đoạn chu kỳ sản xuất liên tục.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Nhữ Việt Tuấn đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ sở khoa học và thực tiễn trong việc xác định các tham số công nghệ hợp lý cho HTKT lò dọc vỉa phân tầng sử dụng dàn chống tự hành tại các mỏ than hầm lò vỉa dày dốc vùng Quảng Ninh. Bằng việc kết hợp mô hình vật liệu tương đương, mô phỏng số học PHACE2 và giải tích kinh tế – kỹ thuật, công trình đã xác lập phạm vi chiều cao phân tầng hợp lý từ 13,2 ÷ 23,5 m và chiều dài khu khai thác từ 130 ÷ 150 m. Kết quả thiết kế áp dụng tại mỏ Hà Ráng chứng minh khả năng nâng cao công suất khai thác, cải thiện năng suất lao động và giảm đáng kể tổn thất tài nguyên than so với các công nghệ thủ công truyền thống. Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và định hướng áp dụng cơ giới hóa khai thác mỏ hầm lò tại Việt Nam.