Nghiên cứu áp dụng công nghệ xây dựng trụ nhân tạo thay thế trụ than bảo vệ đường lò chuẩn bị trong quá trình khai thác tại các mỏ hầm lò vùng quảng ninh VTT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐINH VĂN CƯỜNG VŨ THÀNH LÂM NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG TRỤ NHÂN TẠO THAY THẾ TRỤ THAN BẢO VỆ ĐƯỜNG LÒ CHUẨN BỊ TRONG Q TRÌNH KHAI THÁC TẠI CÁC MỎ HẦM LỊ VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9520603 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÀ NỘI - 2022 Cơng trình hồn thành tại: Bộ mơn Khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Thanh TS Nguyễn Anh Tuấn Phản biện 1: PGS.TS Phùng Mạnh Đắc Hội Khoa học Công nghệ mỏ Việt Nam ơn vcông tác Phản biện 2: GS.TSKH Lê Như Hùng Hội Khoa học Công nghệ mỏ Việt Nam Đơn vị công tác Phản biện 3: TS Vũ Thành Lâm Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam Đơn vị công tác Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại……………………………….…………… Vào hồi ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia Hà Nội, Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trữ lượng trụ than bảo vệ đường lò mỏ hầm lò lớn vùng Quảng Ninh đánh giá khoảng 93 triệu tấn, chiếm 10% tổng trữ lượng huy động Đây trữ lượng sẵn sàng, khoanh vùng đường lò chuẩn bị khai thác lò chợ, coi tổn thất đương nhiên dự án Tỷ lệ tổn thất theo công nghệ khai thác phương pháp hầm lò phổ biến mức 20%, tập trung chủ yếu trụ than bảo vệ đường lò dọc vỉa vận tải lò chợ dài (bằng từ 12 ÷ 15% tổng trữ lượng huy động diện tích khai thác lị chợ) Tỷ lệ tương đối cao, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu đầu tư xây dựng mỏ gây lãng phí tài nguyên không tái tạo Tại nhiều nước giới (Nga, Trung Quốc, Ba Lan, ) áp dụng thành công giải pháp công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò chuẩn bị Theo đó, để đồng thời khai thác than trụ bảo vệ trì lị vận tải làm lị thơng gió cho lị chợ kế tiếp, trụ than thay trụ nhân tạo hình thành từ dải đá chèn, cụm cột, cũi, vật liệu hóa chất hỗn hợp vữa bê tông, Bên cạnh việc giảm tỷ lệ tổn thất tài nguyên, giải pháp sử dụng trụ nhân tạo cho phép giảm chi phí mét lị chuẩn bị (giảm 01 đường lị) giá thành khai thác Các cơng trình nghiên cứu giảm tốn thất than trụ bảo vệ đường lò thực nước thời gian qua chủ yếu theo hướng giảm kích thước trụ bảo vệ, đào lị thơng gió men theo khu vực khai thác khai thác tận thu trụ bảo vệ đồng thời với q trình khai thác lị chợ Gần đây, sơ đồ công nghệ khai thác không để lại trụ bảo vệ nghiên cứu, đề xuất, chưa triển khai thực tế Do đó, đề tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ xây dựng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ đường lò chuẩn bị q trình khai thác mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh” có tính cần thiết, làm sở cho mỏ than hầm lò xem xét, xây dựng kế hoạch triển khai áp dụng công nghệ nhằm khai thác tối đa tài nguyên nâng cao hiệu sản xuất MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Đề xuất giải pháp công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ đường lò dọc vỉa vận tải lò chợ dài q trình khai thác mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh nhằm giảm tổn thất tài nguyên, nâng cao hiệu sản xuất ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Trữ lượng than nằm trụ bảo vệ đường lò dọc vỉa vận tải lò chợ dài mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh - Phạm vi nghiên cứu: mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tổng quan kinh nghiệm áp dụng công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò chuẩn bị lò chợ dài đánh giá tổng hợp trữ lượng than trụ bảo vệ đường lò mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh - Nghiên cứu quy luật áp lực mỏ tác động lên trụ nhân tạo bảo vệ đường lò xác định số tham số chủ yếu trụ - Nghiên cứu đề xuất, xây dựng hướng dẫn tính tốn, quy trình thi cơng cơng nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ đường lò dọc vỉa đào than lò chợ dài phù hợp điều kiện mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh - Thiết kế, triển khai đánh giá kết áp dụng thử nghiệm giải pháp công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò dọc vỉa vận tải đề xuất cho điều kiện mỏ hầm lò cụ thể vùng Quảng Ninh PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, bao gồm: - Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Phương pháp mơ hình số 3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học: Đã đề xuất giải pháp công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò dọc vỉa vận tải, xây dựng hướng dẫn tính tốn xác định số tham số tối ưu công nghệ điều kiện mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh - Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án góp phần định hướng cho mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, đơn vị, cá nhân làm tư vấn, nhà khoa học xem xét, lựa chọn triển khai giải pháp công nghệ phù hợp để áp dụng thực tế, từ góp phần khai thác tối đa trữ lượng than dự kiến để lại làm trụ bảo vệ đường lò dọc vỉa vận tải lò chợ, nhằm giảm tổn thất tài nguyên, chi phí mét lị, nâng cao hiệu vốn đầu tư xây dựng mỏ sản xuất kinh doanh ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN 7.1 Đây cơng trình nghiên cứu đầy đủ lý thuyết thực tiễn việc áp dụng trụ nhân tạo kết cấu cũi gỗ kết hợp dầm thép để thay trụ than bảo vệ đường lò điều kiện mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh 7.2 Xác định mối quan hệ kích thước chiều rộng, cường độ kháng nén yêu cầu trụ nhân tạo với yếu tố địa chất (chiều dày, góc dốc vỉa, chiều sâu khai thác), từ định hướng cho việc lựa chọn vật liệu sử dụng làm trụ nhân tạo phương tiện thi công phù hợp điều kiện mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh 7.3 Lựa chọn giải pháp công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ đường lò chuẩn bị phù hợp điều kiện mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh (gồm: trụ nhân tạo dải đá chèn; trụ nhân tạo kết cấu cũi; trụ nhân tạo dạng dải liên tục vật liệu có cường độ kháng nén cao) NHỮNG LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ 8.1 Chiều rộng trụ nhân tạo bảo vệ đường lò góc dốc vỉa có mối quan hệ tuân theo hàm số tuyến tính bậc 4 8.2 Sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ cho phép giảm tổn thất tài nguyên nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án cấu trúc gồm: phần mở đầu, chương phần kết luận kiến nghị Nội dung luận án trình bày 126 trang đánh máy khổ A4 với 31 bảng biểu, 107 hình vẽ 67 tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KINH NGHIỆM ÁP DỤNG TRỤ NHÂN TẠO THAY THẾ TRỤ THAN BẢO VỆ LÒ CHUẨN BỊ VÀ ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP TRỮ LƯỢNG TRONG TRỤ BẢO VỆ ĐƯỜNG LÒ TẠI CÁC MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH 1.1 Kinh nghiệm nghiên cứu, áp dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò chuẩn bị giới Công nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò chuẩn bị nghiên cứu, áp dụng phổ biến giới Vật liệu sử dụng để thi cơng trụ cụm cột, cũi lợn gỗ/kim loại, dải đá chèn, gạch/đá hộc xây hay vật liệu hóa chất Chi tiết kinh nghiệm áp dụng phân theo vật liệu cấu thành trụ sau - Trụ nhân tạo dải đá chèn: áp dụng khai thác vỉa than có chiều dày khơng lớn (thường 1,5m) theo hệ thống khai thác liền gương cột dài theo phương, đào lò chuẩn bị theo sơ đồ gương mở rộng, nhằm mục tiêu không/hạn chế việc phải vận tải đá thu từ gương đào lò, gương lò chợ ngồi Loại hình trụ nhân tạo trước sử dụng phổ biến Liên Xô cũ Ví dụ mỏ Centralnaya-Bokovskaya khai thác vỉa than số 51 Nadbokovskiy có chiều dày 1,0m, mỏ Volodarskiy khai thác vỉa than h8 Maydannovskiy có chiều dày từ 1,1 ÷ 1,15m, số mỏ khác Voroshilo-ugol, Stalino-ugol, Rutchenko-ugol Nhược điểm chung sơ đồ cơng tác gương lị chợ gương lị chuẩn bị ảnh hưởng lẫn Dải đá chèn có độ co ngót lớn nên diện tích sử dụng đường lị chuẩn bị giảm mạnh sau thi công - Trụ nhân tạo dạng cũi, cụm cột trụ đỡ: áp dụng vỉa than có chiều dày lớn Trụ thi cơng bên đường lị khơng gian chân lị chợ giáp với đường lị cần bảo vệ Đối với trụ cũi gỗ, cũi cũi trống lấp đầy loại vật liệu khác đá thải, bao cát, vật liệu khống hóa cường độ cao để tăng khả kháng nén cũi Đối với trụ nhân tạo trụ đỡ, trụ thi công bê tơng bên đường lị phía phá hỏa Hình thức áp dụng số mỏ than Ba Lan như: mỏ Bogdanka sử dụng cũi gỗ kích thước chiều rộng 1,2m, lấp đầy vật liệu khống hóa có cường độ kháng nén 40 MPa, bảo vệ đường lò dọc vỉa vận tải vỉa than có chiều dày từ 1,3 ÷ 3,4m, góc dốc ÷ 20; mỏ Ziemowit sử dụng trụ bê tơng (đường kính 400÷500mm) bảo vệ đường lị vỉa than dày 4,5m, dốc 4 Do không gian phá hỏa đường lị khơng cách ly tốt, nên tồn chưa giải vấn đề rị gió trào khí, nhiệt, nước từ khu vực khai thác vào lị chợ liền kề phía Cùng với nhược điểm này, điều kiện vỉa than có khả tự cháy, giải pháp hạn chế áp dụng - Trụ nhân tạo dạng dải liên tục: Để khắc phục nhược điểm hình thức kết cấu trụ bảo vệ nhân tạo cụm cột, cũi hay trụ bê tơng (chi phí gỗ cao, khả cách ly thấp, tiềm ẩn nguy cháy nội sinh, rị gió, xuất khí, nhiệt, nước từ khu vực khai thác, ), số mỏ hầm lò giới xây dựng trụ nhân tạo thành dải liên tục phạm vi hơng lị chuẩn bị cần bảo vệ, qua đảm bảo độ kín khít cách ly tốt khu vực khai thác Tùy theo điều kiện góc dốc vỉa, trụ nhân tạo xây dựng: (1) hoàn toàn vật liệu mang vào từ bên ngồi (khi góc dốc vỉa/lị chợ nhỏ) (2) kết hợp sử dụng đá phá hỏa lấp đầy chiều rộng giáp hơng lị dự kiến làm trụ bảo vệ, sau bơm chất dính kết để ổn định tăng khả chịu nén khối chèn hình thành trụ nhân tạo bảo vệ đường lị (khi góc dốc vỉa/lị chợ lớn) Điều kiện áp dụng hình thức trụ nhân tạo rộng điều kiện chiều dày (đến 6,1m) góc dốc vỉa (đến 37) Do vật liệu thi cơng trụ có cường độ kháng nén cao, kích thước chiều rộng trụ nhân tạo phạm vi từ 1,6 ÷ 2,0m nên khối lượng vật liệu vận chuyển, thi công không lớn, trụ có khả chịu tải mức độ tin cậy cao Hình thức áp dụng nhiều Trung Quốc, ví dụ mỏ Tân Ngun (tỉnh Sơn Đơng) sử dụng trụ nhân tạo chiều rộng 2,0m, chiều cao 2,8m vật liệu có cường độ kháng nén 20 MPa bảo vệ lò dọc vỉa vận tải lò chợ vỉa than có chiều dày 2,8m, góc dốc 4; mỏ Changcun sử dụng trụ nhân tạo chiều rộng 1,6m, chiều cao 3,5m vật liệu có cường độ kháng nén 30 MPa bảo vệ lò dọc vỉa vận tải lị chợ vỉa than có chiều dày 6,1m, góc dốc 4; mỏ Đại Bao Đỉnh Trung Quốc áp dụng trụ nhân kết hợp đá phá hỏa vật liệu dính kết có chiều rộng 2,0m để bảo vệ lị dọc vỉa vỉa than có chiều dày từ 2,54 ÷ 2,88, trung bình 2,71m, góc dốc vỉa từ 31 ÷ 37º 1.2 Tình hình nghiên cứu, áp dụng trụ nhân tạo khai thác trụ than bảo vệ lò chuẩn bị mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Hình thức sử dụng trụ nhân tạo để thay trụ than bảo vệ đường lò mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh chưa đề cập Các cơng trình nghiên cứu giảm tốn thất than trụ bảo vệ đường lò chủ yếu theo hướng giảm kích thước trụ bảo vệ, đào lị thơng gió men theo khu vực khai thác khai thác tận thu trụ bảo vệ đồng thời với q trình khai thác lị chợ Gần đây, sơ đồ công nghệ khai thác không để lại trụ bảo vệ nghiên cứu, đề xuất, chưa triển khai thực tế 1.3 Đánh giá tổng hợp trữ lượng than trụ bảo vệ đường lò chuẩn bị mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh - Giới hạn đánh giá: Luận án giới hạn đối tượng 12 mỏ hầm lò lớn thuộc TKV, gồm Mạo Khê, Nam Mẫu, ng Bí, Vàng Danh, Hà Lầm, Núi Béo, Dương Huy, Quang Hanh, Thống Nhất, Hạ Long (Khe Chàm II-IV), Khe Chàm (Khe Chàm III) Mông Dương - Tài liệu sử dụng: Các báo cáo thăm dò địa chất 13 dự án đầu tư xây dựng mỏ than hầm lò nêu Công ty Cổ phần Tư vấn đầu tư mỏ công nghiệp – Vinacomin Viện KHCN Mỏ Vinacomin lập - Kết đánh giá: Tổng trữ lượng địa chất huy động 13 dự án mỏ hầm lị 924.169 nghìn Trong đó, trữ lượng để lại trụ bảo vệ đường lò 93.460 nghìn tấn, chiếm 10,11% tổng trữ lượng huy động Phân theo yếu tố chiều dày góc dốc vỉa, trữ lượng tập trung phần lớn phạm vi dày trung bình đến dày, thoải đến nghiêng (68.824 nghìn tấn, chiếm 73,64%) Đây phạm vi vỉa khai thác lò chợ dài, thuận lợi cho việc ứng dụng kết nghiên cứu luận án vào thực tế để thay trụ than bảo vệ lò chuẩn bị trụ nhân tạo nhằm giảm tổn thất tài nguyên, chi tiết xem bảng 1.7 Bảng 1.7 Phân loại trữ lượng than trụ bảo vệ lò chuẩn bị mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh Góc dốc (độ) ≤15º Tỷ lệ 15 ÷ 35º Tỷ lệ 35 ÷ 55º Tỷ lệ >55º Tỷ lệ Tổng Tỷ lệ 0,7 ÷ 1,2 28 0,03% 748 0,80% 520 0,56% 280 0,30% 1.576 1,69% Chiều dày (m) 1,21 ÷ 3,5 > 3,5 5.849 10.217 6,26% 10,93% 21.468 31.290 22,97% 33,48% 10.826 7.949 11,58% 8,51% 2.228 2.056 2,38% 2,20% 40.370 51.513 43,20% 55,12% Tổng 16.095 17,22% 53.505 57,25% 19.295 20,65% 4.564 4,88% 93.460 100,00% CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY LUẬT ÁP LỰC MỎ TÁC ĐỘNG LÊN TRỤ NHÂN TẠO BẢO VỆ ĐƯỜNG LÒ CHUẨN BỊ VÀ CÁC THAM SỐ CHỦ YẾU CỦA TRỤ 2.1 Nghiên cứu quy luật lý thuyết xác định tải trọng tác động lên trụ nhân tạo bảo vệ đường lò dọc vỉa than lò chợ 2.1.1 Trạng thái ứng suất phân bố trụ than giáp khu vực khai thác lò chợ Q trình khai thác lị chợ phá vỡ trạng thái cân thay đổi gia tăng ứng suất khối than nguyên giáp với khu vực khai thác Phạm vi trụ than chịu ảnh hưởng hình thành bốn vùng có ứng suất lớn ứng suất nguyên sinh theo hướng từ phá hỏa khối than nguyên là: Vùng bở rời (I); Vùng rời rạc (II); Vùng dẻo (III); Phạm vi tăng cao ứng suất vùng đàn hồi (IV) Ứng suất thẳng đứng trụ than y phân bố đường cong Giá trị y phát triển theo đường cong hàm mũ âm phụ thuộc vào khoảng cách chiều rộng vùng cân giới hạn xo tới biên khu vực khai thác Vùng V vùng ứng suất nguyên sinh không chịu ảnh hưởng khai thác lò chợ Đặc điểm phân bố ứng suất trụ than ảnh hưởng áp lực tựa biểu thị hình 2.1 Hình 2.1 Phân bố ứng suất thẳng đứng vùng biến dạng đàn - dẻo trụ than - Ứng suất đàn hồi; - Ứng suất đàn hồi - dẻo Vùng cân giới hạn, có kích thước tổng chiều rộng vùng II III, xác định theo công thức: 𝑚 𝑥𝑜 = 2𝑓𝜉 𝑙𝑛 𝐾𝛾𝐻+𝐶𝑐𝑡𝑔𝜙 , (𝑚) 𝜉𝐶𝑐𝑡𝑔𝜙 (2.1) Trong đó: xo – Chiều rộng vùng cân giới hạn, m; m - Độ dày vỉa than khai thác, m; C - Lực dính kết than, kN/m2;  - Góc nội ma sát than, độ； - Hệ số cân giới hạn; f - Hệ số ma sát mặt tiếp xúc vách trụ vỉa than với đất đá; K – Hệ số tập trung ứng suất;  - Trọng lượng thể tích lớp đất đá phía vỉa than, kN/m3;H – Chiều sâu bố trí đường lị so với bề mặt địa hình, m; Khi sử dụng hình thức bảo vệ trụ than, đường lị phải bố trí ngồi/hoặc phạm chịu ảnh hưởng khai thác lị chợ Nghĩa bố trí vùng IV vùng V Nếu bố trí vùng V, đường lị nằm hồn tồn ngồi vùng ảnh hưởng áp lực tựa lò chợ, nhiên, chiều rộng trụ than lớn, làm tăng tỷ lệ tổn thất 2.1.2 Nghiên cứu lý thuyết tính tốn tải trọng tác động lên trụ nhân tạo bảo vệ lò dọc vỉa than lò chợ Trong trình sập đổ thường kỳ, đá vách gãy theo độ định, thể hình 2.1, gồm khối đá A B bên phía khối than, khối đá C gãy sập đổ khơng gian phá hỏa Đường lị giữ lại nằm khối đá B, tải trọng khối B ảnh hưởng đến môi trường ứng suất có tác dụng định đến ổn định đất đá xung quanh đường lò giữ lại Mơ hình đơn giản mơ tả cấu trúc đất đá xung quanh khu vực trụ nhân tạo thể hình 2.3 Hình 2.3 Cấu trúc đất đá xung quanh đường lò trụ nhân tạo Trụ nhân tạo bảo vệ đường lị bố trí hơng lị giáp khu vực phá hỏa, tức nằm vùng nứt nẻ Khi đó, tải trọng tác động lên trụ nhân tạo tải trọng gãy dầm đá vách vỉa gây nên Tải trọng tác động lên trụ nhân tạo xác định theo công thức sau: Pf = [hbbLmax + haa (xo + c + d)]/2 , kN/m; (2.2) Trong đó: – Chiều dày đá vách trực tiếp, m; hb – Chiều dày đá vách bản, m; a - Trọng lượng thể tích đá vách trực tiếp, kN/m3; b - Trọng lượng thể tích đá vách bản, kN/m3; c – Chiều rộng đường lò, m; d - Chiều 10 rộng trụ bảo vệ nhân tạo, m; Lmax – Bước gãy thường kỳ đá vách bản, m; Trong thiết kế trụ nhân tạo, mối quan hệ tải trọng mỏ tác động lên trụ nhân tạo (Pf) tải trọng phá hủy trụ nhân tạo (Pph) có liên quan mật thiết Để trụ đảm bảo yêu cầu chống giữ, tải trọng phá hủy trụ nhân tạo phải không nhỏ so với tải trọng mỏ tác động lên xác định theo công thức: 𝑑 𝑃𝑝ℎ = 𝜎𝑣𝑙 𝑑( : ℎ), kN/m; (2.3) Trong đó: vl - Cường độ kháng nén vật liệu thi công trụ, kN/m2; h – Chiều cao dải trụ nhân tạo, m; Mối quan hệ tải trọng mỏ tác động lên trụ nhân tạo (Pf) tải trọng phá hủy trụ nhân tạo (Pph) biểu thị thông qua hệ số bền trụ (hay hệ số an toàn) k sau: 𝑃 𝑘 = 𝑃𝑝ℎ (2.4) 𝑜 Trong đó: Po - Tải trọng tác động lên mét dải trụ nhân tạo; 𝑃 𝑃𝑜 = 𝑑𝑓, kN/m; (2.5) k – hệ số bền trụ, m; thiết kế ổn định trụ bảo vệ khai thác than lò chợ, giá trị hệ số bền trụ nằm phạm vi từ 1,5 ÷ 2,0 Tuy nhiên, thực tế áp dụng tùy vào mức độ quan trọng, chức năng, thời gian tồn đường lò cần bảo vệ, nhà thiết kế định lực chọn hệ số k lớn 2) Giá trị tải trọng tác động lên trụ nhân tạo tính tốn theo lý thuyết thường lớn Theo đó, vật liệu sử dụng để thi công trụ nhân tạo Trung Quốc, Ba Lan hầu hết vật liệu có cường độ kháng nén cao (từ 10 ÷ 40 MPa, phổ biến từ 20 ÷ 30 MPa), thi cơng thành dải liên tục bên không gian phá hỏa giáp hơng đường lị cần bảo vệ Do vậy, sử dụng vật liệu thi công trụ nhân tạo vật liệu có độ bền thấp, độ co ngót lớn cũi gỗ, cột gỗ, đá chèn, … 11 không phù hợp, cũi tạo cường độ chống giữ theo tính tốn Thực tế mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh nay, định hướng ứng dụng, song song với việc ưu tiên áp dụng trụ nhân tạo loại vật liệu có cường độ kháng nén cao, hình thức trụ nhân tạo loại hình sẵn có, rẻ tiền cũi gỗ, cột gỗ, … áp dụng Tuy nhiên, loại vật liệu có độ bền thấp, mức độ co ngót, biến dạng lớn, chế làm việc chống linh hoạt, nên việc sử dụng lý thuyết cơng thức từ (2.1) ÷ (2.5) cho kết không phù hợp với thực tế không khả thi để triển khai cơng nghệ Với hình thức trụ nhân tạo này, tải trọng tác động lên trụ xác định tương đương với tải trọng mỏ tác động lên đường lị chuẩn bị chịu ảnh hưởng khai thác lò chợ xác định theo mức độ chuyển vị đất đá biên lò theo cơng thức sau: - Đối với lị chợ đơn: 𝑈𝑘𝑝 = 𝑈𝑜𝑘𝑝 + 𝑈1 𝑘𝑘𝑝 𝑘𝑠𝑡 𝑘𝑘 (2.6) - Đối với hai lò chợ hoạt động song song, lò chợ thứ hai cách lò chợ thứ khoảng không nhỏ 20 m: 𝑈𝑘𝑝 = 𝑈𝑜𝑘𝑝 + 1,3 𝑈1 𝑘𝑘𝑝 𝑘𝑠𝑡 𝑘𝑘 (2.7) Trong đó: 𝑈𝑜𝑘𝑝 – Chuyển vị đất đá lò đường lò nằm ngang nằm nghiêng chưa chịu ảnh hưởng công tác khai thác, tính tốn theo cơng thức: 𝑈𝑜𝑘𝑝 = 𝑈𝑡𝑘𝑝 𝑘𝛼 𝑘𝑠 𝑘𝐵 𝑘𝑡 (2.8) Ở đây: 𝑈𝑡𝑘𝑝 – Chuyển vị đất đá xác định theo hình 2.4 phụ thuộc vào giá trị cường độ kháng nén đất đá lị độ sâu đặt cơng trình Các giá trị U1, kkp, kst, kk, kα, ks, kB, kt tra từ đồ thị bảng xây dựng sẵn, từ xác định tải trọng tác động lên trụ nhân tạo Tải trọng tính tốn theo lý thuyết cho kết phù hợp với khả chịu tải kết cấu trụ vật liệu có độ bền thấp, mức độ co ngót, biến dạng lớn 12 2.2 Nghiên cứu áp lực mỏ tác động lên trụ nhân tạo bảo vệ đường lò tham số chủ yếu trụ nhân tạo mơ hình phân tích số 2.2.1 Lựa chọn yếu tố thơng số đầu vào xây dựng mơ hình số xác định tham số chủ yếu trụ nhân tạo 2.2.1.1 Lựa chọn phần mềm số thông số đầu vào xây dựng mơ hình Luận án lựa chọn phần mềm số Phase Trong phạm vi luận án giới hạn lựa chọn yếu tố đầu vào điển hình, có ảnh hưởng lớn đến khả làm việc trụ nhân tạo là: (1) chiều dày vỉa; (2) góc dốc vỉa; (3) chiều sâu khai thác; (4) điều kiện địa chất khu vực đường lò Trong đó: - Về yếu tố chiều dày vỉa: lựa chọn hai trường hợp điển hình vỉa dày trung bình (chiều dày 2,2m) vỉa dày (chiều dày 5,0m) - Về yếu tố góc dốc: giới hạn phạm vi góc dốc đến 35 độ (phạm vi khai thác lò chợ dài), theo dải 10, 20 35 - Về chiều sâu khai thác: lựa chọn hai giá trị chiều sâu 350m (tầng khai thác phổ biến mỏ) 500m (chiều sâu khai thác tầng trì) - Về điều kiện địa chất: gồm vỉa than loại đá vách, đá trụ vỉa đá phổ biến địa tầng vùng Quảng Ninh 2.2.1.2 Lựa chọn tham số chủ yếu trụ nhân tạo cần xác định Luận án sâu vào nghiên cứu, phân tích xác định tham số tối ưu loại hình trụ nhân tạo sử dụng vật liệu có cường độ kháng nén cao Tham số trụ nhân tạo cần xác định là: (1) kích thước chiều rộng trụ (2) cường độ kháng nén trụ 2.2.3 Xây dựng khai thác mơ hình xác định tham số trụ nhân tạo điều kiện vỉa dày trung bình 2.2.3.1 Xác định cường độ kháng nén tối ưu trụ nhân tạo Theo kết nghiên cứu tổng quan, chiều rộng trụ nhân tạo khống chế định hướng phạm vi (0,5-1,1) lần chiều cao khấu gương lò chợ Tương ứng với chiều cao khấu gương 2,2m, luận án xác định chiều rộng trụ nhân tạo 1,6m 2,4m, để từ xác định cường độ kháng nén phù hợp trụ nhân tạo điều kiện góc dốc 10, 20 35 Chiều sâu khai thác mơ hình 350m 13 Do điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh phức tạp, luận án lựa chọn hệ số bền để xác định cường độ kháng nén tối ưu trụ nhân tạo mơ hình số Theo đó, mơ hình luận án thay đổi giá trị cường độ kháng nén giả định trụ, hệ số bền trụ đạt giá trị ≥ 2, nghĩa lúc trụ đảm bảo yêu cầu chống giữ Kết nghiên cứu cho trường hợp góc dốc vỉa 10, chiều rộng trụ nhân tạo 1,6m cho thấy, với cường độ kháng nén trụ nhân tạo 12 MPa, hệ số bền trụ đạt giá trị >2 Như vậy, cường độ kháng nén tối ưu trụ nhân tạo cho trường hợp 12 MPa, chi tiết xem hình 2.14, 2.15 b) Hệ số bền trụ bảo vệ a) B = 1,6m  = 100 Hình 2.14 Cường độ kháng nén hệ số bền trụ bảo vệ (B = 1,6m,  = 10) Hình 2.15 Hệ số bền trụ bảo vệ (B = 1,6m,  = 10) Thực bước tương tự mơ hình cho trường hợp góc dốc vỉa chiều rộng trụ nhân tạo lại, luận sán thu kết thể bảng 2.9 14 Bảng 2.9 Kết nghiên cứu cường độ kháng nén tối ưu trụ nhân tạo điều kiện vỉa dày trung bình Góc dốc vỉa Chiều rộng trụ 10 20 35 1,6m 12 MPa 28 MPa 17 MPa 2,4m MPa 18 MPa 16 MPa Từ kết thể bảng 2.9, đối chiếu với điều kiện vỉa than vùng Quảng Ninh (phần lớn vỉa nghiêng, dốc từ 15 ÷ 35) kết nghiên cứu kinh nghiệm sử dụng trụ nhân tạo giới (vật liệu thi cơng trụ có cường độ kháng nén phổ biến từ 20 ÷ 40 MPa), luận án lựa chọn cường độ kháng nén tối ưu trụ 20 MPa 30 MPa để nghiên cứu xác định chiều rộng trụ nhân tạo tối ưu nội dung 2.2.3.2 Xác định chiều rộng tối ưu trụ nhân tạo Với cường độ kháng nén cho trước trụ nhân tạo 20 MPa 30 MPa, nghiên cứu mơ hình số xác định chiều rộng trụ nhân tạo tối ưu cho trường hợp khác chiều dày vỉa (vỉa dày trung bình, vỉa dày), góc dốc vỉa (đến 35, dải 10, 20, 35), chiều sâu khai thác 350m 500m thực cách thay đổi chiều rộng trụ nhân tạo mơ hình, hệ số bền trụ đạt giá trị ≥2 Khi chiều rộng trụ đạt yêu cầu chống giữ bảo vệ đường lò Kết nghiên cứu xác định chiều rộng trụ nhân tạo tối ưu cho trường hợp vỉa dày trung trung bình, cường độ kháng nén trụ nhân tạo 20 MPa, chiều sâu khai thác 350m thể hình 2.24, 2.25 Tổng hơp kết nghiên cứu xác định chiều rộng trụ nhân tạo tối ưu thể bảng 2.10 2.13 a) B = 0,4m b) B = 1,2m Hình 2.24 Mơ hình xác định chiều rộng trụ tối ưu với vỉa dày trung bình, P=20 MPa,  = 10, H = 350m 15 a) B = 0,8m b) B = 1,2m Hình 2.25 Hệ số bền trụ bảo vệ trường hợp vỉa dày trung bình, P=20 MPa,  = 10, H = 350m Bảng 2.10 Tổng hợp kết nghiên cứu chiều rộng trụ tối ưu khai thác vỉa dày trung bình Góc dốc vỉa H = 350m H = 500m Cường độ kháng nén trụ, MPa Giá trị chiều rộng trụ bảo vệ tối ưu, m  = 10  = 20  = 35 B=1,2 B=1,0 B=2,0 B= 1,6 B = 2,4 B = 2,2 B=1,6 B=1,4 B=2,8 B = 1,8 B = 3,0 B = 2,8 P=20 P=30 P=20 P = 30 P = 20 P = 30 Bảng 2.13 Tổng hợp kết nghiên cứu chiều rộng trụ bảo vệ tối ưu khai thác vỉa dày Góc dốc vỉa Giá trị chiều rộng trụ bảo vệ tối ưu, m  = 10  = 20  = 35 H = 350m B =1,2 B = 0,8 B = 1,8 B = 1,4 B = 2,2 B = 1,6 H =-500m B = 1,8 B = 1,4 B = 2,0 B = 2,2 B = 2,0 B = 2,4 Cường độ kháng nén trụ, MPa P = 20 P = 30 P = 20 P = 30 P = 20 P = 30 Sử dụng phần mềm thống kê SPSS, phiên 25 IBM nghiên cứu mối quan hệ tham số thể bảng 2.10, 2.13 cho thấy, tham số chiều rộng trụ góc dốc vỉa có mối tương quan cao, nghĩa chúng có mối quan hệ hàm số Cụ thể mối quan hệ 16 chiều rộng trụ nhân tạo góc dốc vỉa tuân theo hàm số tuyến tính bậc nhất, đó: - Với trường hợp vỉa dày trung bình: y = 0,0508x + 0,8829 (2.12) Phương sai R2 = 0,9591 - Với trường hợp vỉa dày: y = 0,0287x + 1,1118 (2.13) Phương sai R2 = 0,8637 Trong đó: y – Chiều rộng trụ nhân tạo, m; x - Góc dốc vỉa, độ; CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRỤ NHÂN TẠO THAY THẾ TRỤ THAN BẢO VỆ LÒ CHUẨN BỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN CÁC MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH 3.1 Phân tích, lựa chọn loại hình cơng nghệ trụ nhân tạo phù hợp điều kiện mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh Trên sở phân tích trên, phù hợp với điều kiện mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, luận án lựa chọn đề xuất 03 loại hình trụ nhân tạo để áp dụng là: - (1) Trụ nhân tạo dải đá chèn: áp dụng cho điều kiện vỉa mỏng nhằm mục tiêu không/hạn chế việc phải vận chuyển đá thải từ gương đào lị, khai thác ngồi mặt Nhược điểm khối lượng công việc phải thực thủ cơng lớn, mức độ co ngót vật liệu cao, khả bảo vệ đường lò hạn chế - (2) Trụ nhân tạo kết cấu cũi: áp dụng cho điều kiện vỉa từ mỏng đến dày Ưu điểm sử dụng vật liệu sẵn có, chi phí thấp, thi 17 cơng đơn giản Nhược điểm mức độ chịu tải khơng cao, co ngót lớn, mức độ thủ công cao - (3) Trụ nhân tạo dạng dải liên tục vật liệu có cường độ kháng nén cao: áp dụng cho điều kiện vỉa từ mỏng đến dày Ưu điểm cường độ kháng nén, mức độ tin cậy cao, khả cách ly tốt, cơng tác thi cơng đơn giản, giới hóa Trụ nhân tạo dạng tiến bộ, cho phép khắc phục hoàn toàn tồn loại hình trụ nhân tạo kể Trong điều kiện cho phép, trụ nhân tạo dạng nên ưu tiên áp dụng 3.2 Xây dựng hướng dẫn quy trình thi cơng cơng nghệ sử dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ lò chuẩn bị 3.2.1 Công nghệ sử dụng trụ nhân tạo dải đá chèn 3.2.2 Công nghệ sử dụng trụ nhân tạo kết cấu cũi 3.2.3 Công nghệ sử dụng trụ nhân tạo dạng dải liên tục Với công nghệ, luận án xây dưng hướng dẫn tính tốn, quy trình thi cơng, làm sở ứng dụng tính tốn cho điều kiện khu vực áp dụng cụ thể Đồng thời đề xuất số loại hình vật liệu, thiết bị thi công phù hợp với điều kiện mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh 3.3 Nghiên cứu khả giảm tổn thất tài nguyên áp dụng trụ nhân tạo thay trụ than bảo vệ đường lò Sử dụng hình thức truyền thống bảo vệ đường lị trụ than, chiều sâu khai thác tăng, chiều rộng trụ tăng theo Phụ thuộc vào độ kiên cố than, đá vách, đá trụ vỉa, chiều sâu từ 350 ÷ 700m, chiều rộng trụ than bảo vệ từ 13,2 ÷ 40,1m, tương ứng với đó, tỷ lệ tổn thất thay đổi từ 14,06 – 39,21% Khi sử dụng hình thức bảo vệ đường lị trụ nhân tạo, chiều rộng trụ khống chế không lớn chiều rộng khám chân lò chợ (