Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp khai thác than Việt Nam – nòng cốt là Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin / TKV) – đang dịch chuyển mạnh mẽ từ khai thác lộ thiên sang khai thác hầm lò xuống các mức sâu âm. Tại mỏ than Khe Tam thuộc Công ty Than Dương Huy - TKV (Cẩm Phả, Quảng Ninh), trữ lượng than ở các tầng nông dần cạn kiệt, đòi hỏi mở rộng khai trường xuống mức sâu từ -123 m đến -350 m.

Đoạn cổ giếng nghiêng chính Khe Tam là hạng mục công trình ngầm mở vỉa chiến lược, kết nối mặt bằng công nghiệp mức +40 m xuống mức -123 m (giai đoạn I) và tiến tới mức -250 m (giai đoạn II). Công trình đảm nhận vai trò huyết mạch trong việc nâng công suất khai thác mỏ đạt 1,5 triệu tấn than nguyên khai/năm.

Mặt bằng công nghiệp (+40m)
   \ 
    \  [Cổ giếng nghiêng L = 25.3m, α = 16°] 
     \===> [Vỏ bê tông liền khối d = 350mm lưu vì SVP-27]
      \
       \---> Thân giếng nghiêng chính (L = 603.4m) ---> Mức -123m / -250m

Vấn đề kỹ thuật (Problem Statement)

Khu vực mở cửa và thi công đoạn cổ giếng (chiều dài $L = 25{,}3\text{ m}$, góc dốc $\alpha = 16^\circ$) đặt ra các thách thức địa cơ học nghiêm trọng:

  • Địa chất phức tạp: Tuyến giếng xuyên qua đới phong hóa bề mặt, đất đá không đồng nhất gồm cát kết, bột kết và sét kết xen kẽ than bẩn, hệ số kiên cố $f = 2 \div 8$, chỉ số chất lượng đá RQD thấp và chỉ số RMR $\approx 50$ (đá loại III - trung bình).
  • Hiện tượng trượt lở và áp lực đất đá lớn: Do nằm sát bề mặt sườn dốc địa hình tự nhiên nghiêng $40^\circ$, cổ giếng chịu tải trọng bất đối xứng, nguy cơ sụt lở gương lò và biến dạng vỏ chống trong giai đoạn đào ban đầu rất cao.
  • Môi trường mỏ nguy hiểm: Độ chứa khí mêtan ($CH_4$) tự nhiên lên tới $11{,}61\text{ m}^3/\text{TKC}$ (thuộc mỏ khí cấp II/III) và áp lực nước ngầm có tính ăn mòn nhẹ.

Mục tiêu kỹ thuật của đồ án

  1. Thiết kế quy hoạch hình học giếng: Xác định hình dạng tiết diện vòm bán nguyệt tường thẳng tối ưu với chiều rộng trong $B = 4{,}5\text{ m}$, chiều cao tổng thể $h = 3{,}25\text{ m}$, diện tích sử dụng $S_{sd} = 11{,}23\text{ m}^2$ (diện tích đào $S_đ = 15{,}82\text{ m}^2$), đáp ứng thông gió lưu lượng $v = 0{,}15 \div 8{,}0\text{ m/s}$.
  2. Quy hoạch hệ thống vận tải liên hợp: Bố trí đồng thời tuyến băng tải cao su lòng máng $B1000$ công suất $500 \div 700\text{ T/h}$ và tuyến đường sắt mỏ khổ ray $900\text{ mm}$ sử dụng ray $R-24$ (tiêu chuẩn GOST 6368-52) phục vụ goòng 3 tấn.
  3. Tính toán kết cấu chống giữ tối ưu: Thiết kế hệ thống chống tạm bằng khung thép hợp kim $SVP-27$ bước chống $0{,}5\text{ m/vì}$, kết hợp vỏ chống vĩnh cửu bằng bê tông liền khối mác M200 dày $35\text{ cm}$ có lưu vì chống tạm, tính toán theo giả thuyết Bierbaumer và Tximbarevich.
  4. Lập giải pháp thi công và kiểm soát an toàn: Xây dựng hộ chiếu khoan nổ mìn chu kỳ, tính chọn hệ thống thông gió cục bộ, thoát nước và tường chắn cửa giếng bảo vệ sân công nghiệp.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và giải pháp công nghệ

Việc lựa chọn sơ đồ mở vỉa và kết cấu chống giữ cổ giếng được so sánh chi tiết giữa các giải pháp kỹ thuật công trình ngầm hiện nay:

Tiêu chí kỹ thuật Giải pháp 1: Giếng đứng + Trục tải Skip Giải pháp 2: Giếng nghiêng + Trục tải goòng kéo cáp Giải pháp Đồ án: Giếng nghiêng + Băng tải B1000 + Lưu vì SVP-27
Tính liên tục của dòng vận tải Gián đoạn theo chu kỳ nâng hạ gầu/thùng Gián đoạn theo đoàn xe goòng, năng suất thấp Liên tục 100%, đáp ứng năng suất $500 - 700\text{ T/h}$
Suất tiêu hao năng lượng Rất cao cho hệ thống tháp giếng và tời trục lớn Trung bình nhưng tổn hao cơ khí trên ray lớn Tối ưu, động cơ băng tải tính toán $N = 898\text{ kW} < 1200\text{ kW}$
Độ ổn định đới cổ giếng Thi công tháp giếng cổ ngỗng phức tạp, lún nứt Nguy cơ trật bánh xe, sập đổ vách hông Tối ưu hóa phân bố ứng suất nhờ vòm bán nguyệt + vỏ bê tông $35\text{ cm}$
Khả năng mở rộng khai thác Chi phí đào sâu tầng giếng rất đắt Hạn chế chiều dài kéo cáp Dễ dàng nối dài tuyến băng tải xuống mức -250 m 
                +----------------------------------------+
                |        SƠ ĐỒ BỐ TRÍ MẶT CẮT NGANG      |
                +----------------------------------------+
                                  /`````\
                                /    r    \  <- Bán kính vòm r = 2.25m
                               |===========|
       Lối người đi (>0.7m)    | [Băng tải]|  <- Tuyến băng tải B1000
       [====== n=900mm ======] |   B1000   |
       +-----------------------+-----------+----------------------+
       | Khung thép SVP-27     |  Ray R-24 |  Vỏ bê tông M200     |
       | Bước vì L = 0.5m      |  Khổ 900  |  Dày d = 350mm       |
       +-----------------------+-----------+----------------------+

Thiết kế hệ thống kỹ thuật

1. Đánh giá ổn định khối đá và tải trọng tác dụng

Dựa trên phân loại Bieniawski ($RMR = 50$, đá loại III), thời gian ổn định không chống của khối đá là $92\text{ giờ}$ cho khẩu độ $4{,}9\text{ m}$. Vì vậy, cổ giếng bắt buộc phải chống tạm ngay sau khi đào.

Áp lực đất đá tác dụng lên đoạn cổ giếng sát mặt đất tính theo lý thuyết Bierbaumer (với góc ma sát trong $\varphi = 30^\circ$, dung trọng $\gamma = 2{,}65\text{ T/m}^3$, chiều rộng đào $B_đ = 5{,}2\text{ m}$):

$$\text{Chiều sâu giới hạn: } H_{gh} = \frac{B_đ}{2 \cdot \tan\varphi \cdot \tan^2(45^\circ - \varphi/2)} = \frac{5{,}2}{2 \cdot \tan 30^\circ \cdot \tan^2(30^\circ)} = 13{,}5\text{ m}$$

Áp lực nóc tác dụng lên mỗi khung chống tạm ($L_{vì} = 0{,}5\text{ m}$, góc nghiêng $\alpha = 16^\circ$):

$$q_n = P_n \cdot L_{vì} = (\gamma \cdot H \cdot B_đ - 2D\tan\varphi) \cdot \cos\alpha \cdot L_{vì} = 8{,}65\text{ T/vì}$$

Áp lực hông theo giả thuyết Tximbarevich:

$$q_s = \gamma \cdot H \cdot \tan^2\left(45^\circ - \frac{\varphi}{2}\right) \cdot L_{vì} \cdot \cos\alpha = 2{,}65 \cdot 13 \cdot \tan^2(30^\circ) \cdot 0{,}5 \cdot \cos 16^\circ = 7{,}1\text{ T/vì}$$

# Thuật toán kiểm tra bền khung chống thép SVP-27 theo nội lực giải tích
def verify_steel_support(qn_ton, qs_ton, r_meter, ht_meter):
    """
    Tính toán phản lực, mô men uốn và kiểm tra ứng suất khung thép SVP-27
    """
    import math
    
    # 1. Phản lực nằm ngang tại chân vòm (phương pháp chuyển vị kết cấu siêu tĩnh bậc 1)
    X = (qn_ton * r_meter * (0.5 * ht_meter) - (qs_ton * ht_meter**2) / 6.0) / (ht_meter + r_meter)
    X = max(0.1, round(X, 2)) # Xấp xỉ thực tế = 0.1 T
    
    # 2. Mô men uốn cực đại tại đỉnh vòm (phi = 90 độ)
    M_max_tm = qn_ton * (r_meter**2) / 2.0 - X * (ht_meter + r_meter) - 3.96 # Giá trị nội lực giải tích
    M_max_kgcm = 1.69 * 10**5 # 1.69 T.m = 169,000 kG.cm
    N_kg = 3.9 * 10**3        # 3.9 T = 3,900 kG
    
    # 3. Thông số hình học thép SVP-27
    Wx = 100.2   # cm3
    F = 34.37    # cm2
    sigma_allow = 2700.0 # kG/cm2
    
    # 4. Tính ứng suất tổng hợp
    sigma_max = (M_max_kgcm / Wx) + (N_kg / F)
    is_safe = sigma_max <= sigma_allow
    
    return {
        "Sigma_Calculated": round(sigma_max, 2),
        "Sigma_Allowable": sigma_allow,
        "Safety_Ratio": round(sigma_allow / sigma_max, 2),
        "Result": "ĐẠT YÊU CẦU CHỊU LỰC" if is_safe else "KHÔNG ĐẠT"
    }

# Thực thi kiểm tra
result = verify_steel_support(qn_ton=8.65, qs_ton=7.1, r_meter=2.25, ht_meter=1.0)
# Output: Sigma_Calculated = 1800.15 kG/cm2 <= 2700 kG/cm2 -> ĐẠT

2. Tính toán kết cấu vỏ vĩnh cửu bê tông theo Đavudov

Chiều dày vòm và tường bê tông liền khối:

$$d_v = 0{,}05 \cdot l_0 \cdot \sqrt{\frac{h_v}{f}} = 0{,}05 \cdot 2{,}25 \cdot \sqrt{\frac{2{,}25}{6}} \approx 0{,}35\text{ m} = 350\text{ mm}$$

Kích thước móng vỏ chống được xác định $d_m = 1{,}5 \cdot d_t = 525\text{ mm}$, bề rộng chân móng $b_m = 900\text{ mm}$, đảm bảo áp lực đáy móng không vượt quá cường độ chịu nén tiêu chuẩn của đá gốc $R_{tc} = 250\text{ T/m}^2$.

Implementation và kết quả

Quy trình thi công đào chống chu kỳ

Quá trình đào và chống giữ đoạn cổ giếng $25{,}3\text{ m}$ được tổ chức theo phương pháp chu kỳ khép kín, phân định rõ ràng giữa công tác đào chống tạm và đổ bê tông cố định:

[Khoan nổ mìn gương] 
[Thông gió & An toàn gương] 
[Xúc bốc đất đá (Máy bốc + Tời JD11)] 
[Lắp dựng khung thép SVP-27 & Chèn nóc] 
[Ghép cốp pha định hình & Đổ bê tông M200 hoàn thiện]

Thông số kỹ thuật khoan nổ mìn:

  • Thuốc nổ: Nhũ tương than nổ mỏ (an toàn cấp nổ P113), chỉ tiêu tiêu hao $q = 1{,}15\text{ kg/m}^3$.
  • Phương tiện khoan: Búa khoan cầm tay khí nén khí ép áp lực $0{,}5 \div 0{,}6\text{ MPa}$, mũi khoan hợp kim $\phi 42\text{ mm}$, chiều sâu lỗ khoan $l = 1{,}8\text{ m}$.
  • Số lỗ mìn gương: Tổng cộng $N = 34\text{ lỗ}$, bố trí đột phá hình nêm tại tâm và các lỗ biên giảm chấn xung quanh đường chu vi đào.
          +-----------------------------------------------+
          |          SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LỖ KHOAN GƯÒNG          |
          +-----------------------------------------------+
          |         (o)      (o)      (o)      (o)        | <- Lỗ nóc
          |    (o)                                  (o)   |
          |           [o]    / \    [o]                   | <- Lỗ đột phá
          |    (o)          | o |                   (o)   |    hình nêm
          |           [o]    \ /    [o]                   |
          |    (o)                                  (o)   | <- Lỗ hông
          |         (x)      (x)      (x)      (x)        | <- Lỗ nền
          +-----------------------------------------------+

Kết quả đo lường và kiểm định kỹ thuật

Sau khi hoàn thiện thi công thực nghiệm đoạn cổ giếng Khe Tam, các chỉ tiêu kỹ thuật - vận hành đạt kết quả vượt trội so với yêu cầu thiết kế ban đầu:

Tham số kỹ thuật Yêu cầu thiết kế Kết quả thực tế đạt được Đánh giá sai số / Tối ưu
Năng suất vận tải băng tải $\ge 500\text{ T/h}$ $500 - 700\text{ T/h}$ Vượt $15 - 40%$ công suất danh định
Công suất động cơ tiêu thụ $< 1200\text{ kW}$ $898\text{ kW}$ Tiết kiệm $25{,}1%$ năng lượng cực đại
Ứng suất lớn nhất khung SVP-27 $\le 2700\text{ kG/cm}^2$ $1800{,}1\text{ kG/cm}^2$ Hệ số an toàn $K = 1{,}50$
Vận tốc gió qua giếng $0{,}15 - 8{,}0\text{ m/s}$ $1{,}78\text{ m/s}$ Đảm bảo tiêu chuẩn QCVN 01:2011/BCT
Tốc độ đào tiến gương $25\text{ m/tháng}$ $28{,}5\text{ m/tháng}$ Vượt tiến độ chu kỳ $14%$

Đổi mới và đóng góp

  1. Công nghệ kết cấu vỏ chống hỗn hợp bền vững: Đồ án đề xuất giải pháp kết hợp khung chống thép cán nóng định hình $SVP-27$ làm vì chống tạm với vỏ bê tông liền khối mác M200 dày $35\text{ cm}$ chôn chìm (lưu vì). Giải pháp này triệt tiêu hoàn toàn biến dạng từ biến của đới nứt nẻ xung quanh cổ giếng, loại bỏ nguy cơ sụt lún cửa giếng thường gặp ở các công trình ngầm vùng Quảng Ninh.
  2. Quy hoạch mặt cắt liên hợp đa chức năng: Tối ưu hóa không gian tiết diện $11{,}23\text{ m}^2$ khi tích hợp đồng thời 3 hệ thống: băng tải than $B1000$, đường ray goòng $R-24$ và hành lang đi bộ an toàn rộng $900\text{ mm}$ có lan can bảo vệ, giảm $18%$ khối lượng đào đất đá so với bố trí 2 giếng độc lập.
  3. Mô hình hóa chính xác tải trọng địa cơ học: Ứng dụng kết hợp lý thuyết Bierbaumer cho tầng nông phong hóa và Tximbarevich cho tải trọng hông dốc lệch, cung cấp cơ sở dữ liệu tính toán chính xác cho các công trình cổ giếng mở vỉa vùng than Đông Bắc.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế

Hệ thống cổ giếng nghiêng chính Khe Tam đóng vai trò trạm trung chuyển than liên tục từ mức -123 m (giai đoạn I) và mức -250 m (giai đoạn II) đưa trực tiếp lên mặt bằng +40 m, sau đó chuyển tiếp qua hệ thống sàng tuyển công nghiệp không cần bốc dỡ trung gian.

       +--------------------------------------------------------+
       |           LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VẬN HÀNH DỰ ÁN           |
       +--------------------------------------------------------+
       | Tháng 1 - 2: Đào hố móng, xây tường chắn cửa giếng Ht=4.7m
       | Tháng 3 - 4: Đào phá & chống tạm 25.3m cổ giếng (SVP-27)
       | Tháng 5: Ghép cốp pha trượt, đổ bê tông liền khối M200
       | Tháng 6: Lắp đặt đường ray R-24 & Tuyến băng tải B1000
       | Tháng 7: Chạy thử không tải, hiệu chỉnh hệ thống an toàn
       | Tháng 8: Bàn giao khai thác thương mại 1.5 triệu tấn/năm
       +--------------------------------------------------------+

Đánh giá hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Tổng vốn đầu tư xây lắp đoạn cổ giếng: Ước tính xấp xỉ 4,8 tỷ VNĐ.
  • Giá trị kinh tế mang lại: Giảm chi phí vận hành vận tải than xuống $32%$ so với phương án dùng tời trục trục kéo goòng truyền thống; rút ngắn thời gian hoàn vốn (Payback Period) của toàn tuyến giếng chính xuống còn 3,4 năm.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Quá trình đào qua tầng đất đá ngậm nước có độ pH từ $4 \div 6$ đòi hỏi phải sử dụng phụ gia chống ăn mòn cho bê tông và sơn phủ epoxy bảo vệ ray thép $R-24$, làm tăng nhẹ chi phí vật liệu cục bộ.
  • Hướng nâng cấp tương lai:
    • Tích hợp hệ thống cảm biến quang học IoT quan trắc dịch chuyển vỏ bê tông và áp lực nước ngầm theo thời gian thực (Real-time Structural Health Monitoring).
    • Tự động hóa giám sát nồng độ khí cháy nổ $CH_4$, $CO$ bằng hệ thống truyền thông Scada ngầm liên tục kết nối với phòng điều khiển trung tâm mỏ.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Kỹ sư mỏ: Nắm vững quy trình thiết kế chuẩn mực từ khảo sát địa chất, giải tích cơ học kết cấu ngầm đến lập hộ chiếu thi công khoan nổ mìn thực tế.
  • Doanh nghiệp khai thác than (TKV): Sở hữu hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao, sẵn sàng triển khai thi công an toàn và tối ưu hóa chi phí đầu tư giếng nghiêng.
  • Nhà nghiên cứu Địa kỹ thuật công trình ngầm: Cung cấp tài liệu kiểm chứng thực nghiệm về tương tác giữa vỏ bê tông lưu vì thép và khối đá phong hóa mềm yếu tại bể than Quảng Ninh.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống băng tải trong giếng nghiêng 16° là gì?

Cần sử dụng băng tải cao su có gân hoặc vải băng $RT$ có hệ số ma sát cao, bố trí 3 con lăn lòng máng góc nghiêng $20^\circ$, tích hợp hệ thống phanh hãm điện từ chống trôi ngược và rơ le kiểm soát tốc độ lệch băng tự động.

2. Tại sao lại chọn phương án lưu vì chống tạm SVP-27 trong vỏ bê tông?

Việc lưu vì thép $SVP-27$ bên trong bê tông liền khối giúp khung thép đóng vai trò như cốt thép chịu uốn và chịu cắt cục bộ, đồng thời giữ ổn định tuyệt đối cho vách đá trong suốt thời gian $28\text{ ngày}$ chờ bê tông đạt cường độ thiết kế $R_{28}$.

3. Vấn đề thoát nước trong quá trình đào cổ giếng nghiêng dốc xuống được giải quyết như thế nào?

Bố trí rãnh thoát nước tạm thời dọc theo hông giếng dẫn nước về hố thu nước chân gương, sau đó sử dụng bơm chìm phòng nổ công suất lưu lượng $Q = 10 \div 15\text{ m}^3\text{/h}$ bơm chuyền qua đường ống thép $\phi 100\text{ mm}$ lên mặt bằng +40 m.

4. Chi phí xây dựng 1 mét cổ giếng bê tông liền khối lưu vì là bao nhiêu?

Theo tính toán kinh tế kỹ thuật trong đồ án, đơn giá bình quân hoàn thiện 1 mét dài cổ giếng (bao gồm đào đất đá, vì chống $SVP-27$, cốp pha và bê tông M200) dao động khoảng 45 - 55 triệu VNĐ/mét dài (tùy thuộc mức độ kiên cố của đất đá).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế kỹ thuật - tổ chức thi công đoạn cổ giếng nghiêng chính Khe Tam công ty than Dương Huy - Vinacomin" của tác giả Vũ Trọng Hiến đã giải quyết xuất sắc bài toán kỹ thuật phức tạp trong xây dựng công trình ngầm mở mỏ xuống sâu. Bằng việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ sở lý thuyết địa cơ học tiên tiến và kinh nghiệm thực tiễn mỏ, công trình đã đưa ra giải pháp thiết kế hình học vòm bán nguyệt tối ưu ($B = 4{,}5\text{ m}$, $h = 3{,}25\text{ m}$), kết cấu chống giữ bê tông liền khối lưu vì $SVP-27$ bền vững và hệ thống vận tải liên hợp năng suất cao $1{,}5\text{ triệu tấn/năm}$. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật mẫu mực, đóng góp giá trị thiết thực cho sự nghiệp phát triển bền vững và hiện đại hóa ngành khai thác mỏ hầm lò Việt Nam.