TỔNG QUAN KINH NGHIỆM ÁP DỤNG CÁC GIẢI PHÁP TĂNG ĐỘ LIÊN KẾT TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT KHÔNG ỔN ĐỊNH THAN VÀ ĐẤT ĐÁ MỀM YẾU BỞ RỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC
Tổng quan kinh nghiệm áp dụng các giải pháp tăng độ liên kết trong điều kiện địa chất không ổn định, than và đất đá mềm yếu bở rời trên thế giới
Tại các nước có nền công nghiệp khai thác than phát triển như Nga,
Mỹ, Trung Quốc, Úc, Ba Lan và nhiều quốc gia khác đã chủ động phòng chống nguy cơ mất an toàn trong quá trình đào lò và khai thác ở các khu vực có điều kiện địa chất không ổn định Để giải quyết vấn đề này, từ những năm 90 của thế kỷ trước, các giải pháp tăng độ liên kết của khối đá đã được nghiên cứu và áp dụng thành công Các phương pháp chính để tăng cường độ liên kết của than và đất đá mềm yếu bao gồm: (1) Phương pháp xi măng hóa; (2) Phương pháp bitum hóa; (3) Phương pháp sét hóa; và (4) Phương pháp hóa chất.
(5) Phương pháp đóng băng đất đá; (6) Phương pháp bơm ép nước Nội dung của các phương pháp như sau:
1.1.1 Phương pháp xi măng hóa
Phương pháp xi măng hóa trong ngành mỏ được sử dụng để gia cường đất đá yếu trong thi công giếng đứng và các đường lò Phương pháp này bao gồm việc bơm hỗn hợp vữa xi măng với áp suất lớn qua các lỗ khoan để lấp đầy các khe nứt quanh công trình Để đạt hiệu quả, phương pháp này chỉ áp dụng cho đá rắn có độ hút nước từ 0,05 l/phút trở lên Nếu độ hút nước không đạt yêu cầu hoặc nước mỏ có tính axít, phương pháp sẽ không hiệu quả Ngoài ra, đất đá có hệ số thấm nhỏ hơn 1 cm/s, khe nứt hẹp hơn 0,1 mm và các khu vực nước có áp cũng làm giảm hiệu quả của xi măng hóa.
Trong thi công giếng đứng, bơm ép bê tông có thể thực hiện qua các lỗ khoan từ bề mặt hoặc theo tiến độ đào giếng Phương pháp ép vữa từ mặt địa hình bao gồm việc khoan lỗ thẳng đứng ngoài biên giếng đến độ sâu thiết kế và sau đó bơm vữa bê tông Quy trình này có thể thực hiện từ trên xuống hoặc dưới lên Khi bơm vữa xi măng theo tiến độ, ngoài các lỗ khoan từ gương giếng, cần khoan thêm lỗ bơm ép vữa Số lượng lỗ khoan phụ thuộc vào đường kính giếng và đặc điểm địa tầng Theo kinh nghiệm tại Ba Lan, chiều dài lỗ khoan ép vữa thường từ 10 đến 25 m, đường kính từ 30 đến 100 mm; trong khi ở Nga, chiều dài lỗ khoan khoảng 12 m, với góc nghiêng được điều chỉnh để đáy lỗ cách biên ngoài giếng từ 1,5 m trở lên.
2,0 m, khoảng cách giữa các lỗ khoan ép vữa xi măng theo biên gia cố từ 0,8
Trước khi thực hiện xi măng hóa, cần thi công một tường chắn phản áp trong phạm vi gương giếng, cách 1,5 m, để bảo vệ nền giếng và duy trì áp lực bơm ép vữa Tường chắn này có thể được xây dựng bằng cách đổ bê tông hoặc giữ lại một tường phản chắn tự nhiên từ đất đá ngay trên khu vực cần bơm ép xi măng.
Trong quá trình thi công các đường lò bằng và lò nghiêng, đặc biệt ở những khu vực đất đá yếu và có nguy cơ tụt lở do ảnh hưởng của vùng phay phá và đứt gãy, phương pháp bơm ép xi măng được áp dụng để gia cường độ ổn định cho khối đá bở rời Phương pháp này tương tự như kỹ thuật bơm ép vữa, được thực hiện qua các lỗ khoan tại gương, với chiều dài lỗ khoan gia cường dao động từ 6,0 đến 12,0 mét.
Hình 1.1 - Phương pháp bơm ép vữa xi măng gia cường đất đá trong quá trình đào lò bằng, lò nghiêng
1- Máy khoan; 2 - Bơm ép vữa; 3 - Máy khuấy vữa; 4 - Bồn chứa xi măng; 5 -
Phương pháp xi măng hóa trong quá trình đào lò bằng lò nghiêng mang lại nhiều ưu điểm, như khả năng gia cố đất đá yếu trong phạm vi rộng và quy trình thi công đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là có bán kính lan tỏa lớn, dẫn đến việc tiêu hao lượng vữa xi măng cho bơm ép cao, đồng thời việc kiểm tra kết quả bơm ép cũng gặp nhiều khó khăn.
Phương pháp sét hóa được sử dụng trong quá trình đào lò và xây dựng công trình ngầm trong đất đá có nhiều khe nứt Phương pháp này áp dụng dung dịch sét chứa 55% nước, được tạo thành từ hỗn hợp sét với hàm lượng cát dưới 5% Ngoài ra, có thể thêm một số chất điện phân như Canxi Clorua vào dung dịch để cải thiện hiệu quả.
Việc sử dụng các chất như CaCl2, MgCl2 hoặc thủy tinh lỏng (Na2SiO2) với hàm lượng từ 2% đến 5% giúp tăng tốc độ lắng của dung dịch sét và được bơm vào các lỗ khoan trong khu vực cần gia cố Phương pháp này có ưu điểm về chi phí thấp và khả năng bảo vệ tốt, đặc biệt là trong các khu vực có áp lực nước lớn Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tiêu hao vật liệu cao và thời gian gia cố lâu hơn so với phương pháp bơm ép vữa xi măng, đồng thời khả năng chịu lực của đất đá sau khi sét hóa cũng giảm.
Hình 1.3 - Sơ đồ khoan bơm ép sét - xi măng tại sân giếng mức -960, mỏ
Hình 1.4 - Kết cấu lỗ khoan sử dụng trong phương pháp sét hóa
1 Đầu bịt; 2 Đồng hồ đo áp lực; 3 Vỏ; 4 Xi măng; 5 Ống khoan; 6 Dây cáp; 7 Khớp nối; 8 Rãnh trượt; 9 Thiết bị quay; 10 Thiết bị cảm biến; 11 Đầu lọc; 12 Van xả; 13 Khe nứt
Phương pháp bitum hóa được sử dụng để gia cố các công trình ngầm và đường lò đào trong điều kiện đất đá có nhiều khe nứt và lượng nước ngầm xâm thực cao.
Phương pháp gia cố đất đá bằng dung dịch bitum lỏng tương tự như xi măng hóa, với dung dịch được bơm vào ở nhiệt độ từ +180 đến +220 oC, tối ưu nhất ở 200 oC Ở nhiệt độ thấp hơn, việc bơm gặp khó khăn, trong khi nhiệt độ cao hơn có thể gây cháy Dung dịch bitum thẩm thấu vào các khe nứt, kết hợp với nước để đông cứng, tạo thành lớp kín ngăn nước xâm nhập Tuy nhiên, tốc độ đông cứng nhanh của dung dịch bitum giới hạn khả năng lan tỏa, chỉ đạt tối đa khoảng 7,0 m từ vị trí bơm, trong khi dung dịch xi măng có thể lan tỏa hàng trăm mét.
Hình 1.5 - Phương pháp gia cố đất đá bằng Bitum
Mối liên hệ giữa bitum và thành khe nứt chủ yếu phụ thuộc vào lực ma sát Khi áp suất của đất đá hoặc nước lên tới khoảng 2,7 atm, bitum có khả năng bị đẩy ngược ra khỏi khe nứt Để khắc phục tình trạng này, người ta thường bổ sung các phụ gia như khoáng chất amiăng vào dung dịch bitum.
Phương pháp bitum hóa sử dụng tỉ lệ 5 15% bùn, mùn cưa và các vật liệu khác để tăng cường liên kết bitum với các khe nứt, đồng thời giảm lượng bitum cần thiết Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ đông cứng nhanh, cho phép chèn kín các khe nứt và lỗ rỗng lớn, cũng như lấp đầy khoảng trống trong lớp đá cuội kết hạt thô và khe nứt trong đất đá chứa nước có hại với xi măng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là tính bền vững không cao, bán kính lan tỏa nhỏ, dẫn đến khối lượng bitum và số lượng lỗ khoan lớn, cùng với chi phí cao và công nghệ thi công phức tạp.
1.1.4 Phương pháp đóng băng đất đá
Phương pháp đóng băng đất đá là kỹ thuật thi công hiệu quả cho các công trình ngầm trong vùng đất đá vụn và nhiều nước Bằng cách hạ thấp nhiệt độ xung quanh khu vực thi công, nước trong đất sẽ bị đóng băng, tạo thành khối liên kết chắc chắn với độ bền cơ học cao Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho việc thi công giếng đứng trong các khu vực đất đá rời rạc, nứt nẻ và có độ bền cơ học thấp Nguyên lý của phương pháp này được minh họa trong hình 1.6.
Hình 1.6 - Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đóng băng đất đá
1- Ống dẫn dung dịch kiềm; 2- Ống vành đóng băng; 3- Buồng đống băng; 4- Đường ống đóng băng; 5- Ống dẫn vào (chất kiềm); 6- Lỗ kiểm tra nhiệt độ đóng băng; 7- Vành đai đóng băng; 8- Vỏ chống thành giếng
Tổng quan kinh nghiệm áp dụng các giải pháp tăng độ liên kết trong điều kiện địa chất không ổn định, than và đất đá mềm yếu bở rời tại Việt Nam
Tại các mỏ than hầm lò ở Quảng Ninh, nhằm cải thiện độ liên kết giữa than và đất đá trong điều kiện địa chất không ổn định, hiện nay chỉ áp dụng hai phương pháp chính là xi măng hóa và hóa học để khai thác hiệu quả hơn.
1.2.1 Phương pháp xi măng hóa
Phương pháp xi măng hóa đã được triển khai tại các Công ty than Mạo Khê, Vang Danh, Đồng Vông, Thống Nhất và Khe Chàm để xử lý các khu vực đào lò gặp phải tình trạng phay phá đứt gãy, tụt đổ, cũng như đất đá mềm yếu và ngậm nước.
Từ năm 1997 đến 1998, phương pháp xi măng hóa lần đầu tiên được áp dụng trong ngành mỏ tại Công ty than Mạo Khê để thi công đường lò xuyên vỉa Tây Bắc I mức -80, sau sự cố bục nước Phương pháp này bao gồm việc bơm ép xi măng từ mặt đất tới khu vực cần gia cố, thực hiện khoan các lỗ khoan có đường kính phù hợp từ trên mặt địa hình.
Khi thực hiện khoan với kích thước 108 190 mm và chiều sâu từ 85 105 m, sau khi hoàn tất công tác khoan, cần sử dụng các ống dẫn tiến để nạp liệu Các ống dẫn này là ống thép tròn có đường kính 50 mm, được thiết kế với một đầu ép nhọn để dễ dàng đưa vào lỗ khoan và đầu còn lại được cố định với ống nạp liệu cùng cơ cấu chống tràn vữa xi măng bằng van một chiều Trên thân ống có các hàng lỗ để thoát dung dịch vữa xi măng Vữa xi măng mác cao cùng phụ gia linh hoạt được bơm với áp suất từ 15 ÷ 20 atm, giúp lan tỏa vào không gian đới phá hủy của phay F.A, từ đó liên kết các thành phần đất đá rời rạc, nâng cao độ bền của khối đá Công tác thi công đường lò diễn ra bình thường sau đó Chi tiết sơ đồ biện pháp gia cường được thể hiện trong hình 1.13.
Phương pháp khoan từ mặt đất gặp nhiều nhược điểm, bao gồm khối lượng công việc và chi phí khoan lớn, khó kiểm soát sự phát triển cường độ của đất đá gia cố, dẫn đến hao phí vật liệu Trong khi đó, khoan trong lò có chi phí thời gian xử lý cao, từ 1,4 đến 3,5 ngày cho mỗi mét lò Đặc biệt, khi đất đá bị phá hủy nghiêm trọng và có thành phần phức tạp, việc gia cường bằng ép vữa không đạt hiệu quả như mong đợi.
Hình 1.13 - Phương pháp gia cố đất đá bằng xi măng khi đào lò qua phay
FA tại Công ty than Mạo Khê
Tại Công ty than Vàng Danh, phương pháp gia cường bằng bơm ép vữa xi măng được áp dụng để đào lò qua các vùng tụt đổ và đất đá mềm yếu, ngậm nước, đồng thời thực hiện công tác chống xén lò Khác với Công ty than Mạo Khê, Vàng Danh sử dụng kỹ thuật khoan lỗ từ gương đào, trong đó các lỗ khoan được thực hiện vào vùng đất đá phía trên gương lò cần thi công Các ống ép vữa dài 6,0 m được bố trí trong các lỗ khoan để bơm dung dịch vữa xi măng, giúp liên kết các thành phần đất đá rời rạc và tăng cường độ bền cho khối đá.
Năm 2010, Công ty TNHH MTV than Đồng Vông đã gặp phải vấn đề mất ổn định khi đào lò xuyên vỉa mức +131 khu Đông Vàng Danh Để khắc phục tình trạng này, công ty đã hợp tác với Viện KHCN Mỏ nghiên cứu giải pháp gia cường bằng bơm ép vữa xi măng Trong quá trình thực hiện, công ty đã khoan 152 lỗ khoan với chiều dài từ 7 đến 9 m, tổng chiều dài khoan đạt 1.120 m Tổng lượng vữa bơm ép là 1.145,5 m³, bao gồm 870,5 tấn xi măng, 17,4 tấn phụ gia và 870,5 m³ nước.
Hình 1.14 - Phương pháp gia cố đất đá bằng xi măng khi đào lò qua phay tại lò xuyên vỉa +131 khu Đông Vàng Danh, Công ty than Đồng Vông
Vào năm 2013, Công ty than Khe Chàm đã áp dụng phương pháp bơm ép vữa xi măng để gia cường khối đá trong quá trình thi công lò ngầm thông gió tại khu vực sân ga mỏ Khe Chàm III, nơi chịu ảnh hưởng của đứt gãy Bắc Huy với đất đá mềm yếu dễ xảy ra tụt lở Giải pháp này bao gồm việc thực hiện một vòng lỗ khoan gồm 09 lỗ, mỗi lỗ dài 6,0 m, từ biên nóc lò về phía trước gương Toàn bộ thời gian thi công và chờ đợi cho xi măng đông kết ở đoạn 6 mét lò là khoảng 14 ngày, với chi phí trung bình cho mỗi mét lò là 2,3 ngày.
Phương pháp bơm ép vữa xi măng được áp dụng tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh đã chứng minh hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật trong việc gia cường khối đá Phương pháp này không chỉ tăng cường sự ổn định của khối đá xung quanh đường lò mà còn giảm lượng nước ngầm chảy vào và áp lực lên đường lò, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sửa chữa và khôi phục hình dạng ban đầu Việc xử lý bằng bơm ép vữa cũng đảm bảo an toàn trong thi công qua các vùng đất đá mềm yếu, dễ xảy ra tụt lở.
Năm 2013, Công ty than Khe Chàm đã tiến hành thử nghiệm giải pháp tăng cường độ liên kết trong điều kiện địa chất không ổn định và than mềm yếu bở rời bằng hóa chất tại một số gương đào lò, mang lại kết quả khả quan.
1 Lò thượng thông gió - trục vật liệu mức -300 ÷ -260 mỏ Khe Chàm III
Lò thượng TG-TVL được đào tiết diện hình vòm, chống bằng vì thép
SVP-27 có diện tích đào 20 m² và diện tích sử dụng 17 m², với tiến độ chống 0,5 m/vì Nóc và hông lò được chèn kín bằng tấm chèn bê tông Trước khi bơm hóa chất, gương lò tạm dừng đào do đất đá ở nóc và gương lò quá mềm yếu, dẫn đến hiện tượng tụt lở xảy ra nhanh và mạnh, với chiều cao tụt lở lớn, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho người lao động.
Dựa trên tình hình tụt lở tại gương lò, các bên đã đồng thuận sử dụng hóa chất gia cường Marithan NP của Ba Lan Hộ chiếu khoan cho việc bơm ép hóa chất bao gồm 03 lỗ khoan, trong đó lỗ khoan số 1 được đặt ở giữa nóc lò, còn hai lỗ số 2 và số 3 được khoan ở hai bên hông, với khoảng cách đều nhau 1,5 m Chiều dài mỗi lỗ khoan là 2,5 m, tạo với mặt phẳng ngang một góc từ 30 đến 35 độ Thông tin chi tiết về hộ chiếu khoan có thể tham khảo trong hình 1.15.
Hình 1.15 - Hộ chiếu khoan các lỗ khoan phục vụ bơm hóa chất
Trong quá trình bơm ép hóa chất tại gương lò ngầm thông gió ở trục vật liệu mức -300 ÷ -260, Công ty than Khe Chàm đã tiêu thụ 280 kg hóa chất Sau khi hoàn thành việc bơm ép, công ty tiến hành đào lò ngầm và kết quả quan sát cho thấy hóa chất đã lan tỏa đều, tạo thành các phân lớp xen kẽ trong khối đá với chiều dày từ 0,2 đến 1,0 cm, trong phạm vi nóc và khoảng 1,0 m tính từ bụng xà Quá trình đào lò không còn hiện tượng tụt lở gương như trước, việc lên xà dựng diễn ra thuận lợi và đảm bảo an toàn.
Trong quá trình chống xén tại ngã tư vỉa vận tải 14-5-3, tình hình địa chất cho thấy đất đá nóc và hông lò rất mềm yếu, dễ bị tụt lở khi tháo tấm chèn Đường lò đã bị nén lún và tiết diện giảm nhiều so với ban đầu Để khắc phục tình trạng này, Công ty đã tiến hành khoan các lỗ khoan để bơm ép hóa chất, với tổng số lỗ khoan thực hiện tại khu vực ngã tư.
Trong quá trình khoan, đã thực hiện 09 lỗ, trong đó 07 lỗ được bơm ép thành công Hai lỗ còn lại bị hỏng do đất đá tại phạm vi nóc lò quá mềm yếu Mỗi lỗ khoan có chiều dài 3,0 m và góc nghiêng từ 40 đến 45 độ so với mặt phẳng ngang Sau khi bơm hóa chất, gương lò thượng TG-TVL ở mức -300/-260 và phạm vi nóc lò khu vực ngã tư đã được xử lý.
Hình 1.16 - Kết quả sau khi thực hiện bơm hóa chất tại các vị trí thi công
Nhận xét
Kết quả nghiên cứu toàn cầu cho thấy có nhiều phương pháp tăng độ liên kết của khối đá trong điều kiện địa chất không ổn định, đặc biệt là trong khai thác than và đất đá mềm yếu Các phương pháp thường được áp dụng bao gồm xi măng hóa, sét hóa, bitum hóa, và đóng băng đất đá ngậm nước Đối với việc khai thác than, việc tăng cường độ liên kết chủ yếu thông qua phương pháp hóa chất và gần đây là bơm ép nước Mặc dù bơm ép nước có hiệu quả thấp hơn so với bơm ép hóa chất, nhưng phương pháp này có nhiều ưu điểm như thi công đơn giản, sử dụng thiết bị và vật tư sẵn có, chi phí thấp, và góp phần cải thiện điều kiện môi trường làm việc.
Hiện nay, một số vỉa than của Công ty than Khe Chàm gặp phải điều kiện địa chất không ổn định với than mềm yếu bở rời, gây khó khăn trong công tác đào lò và khai thác lò chợ Để khắc phục tình trạng này, luận văn đề xuất phương pháp bơm ép nước vào vỉa than, dựa trên kinh nghiệm và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp gia cường Mục tiêu là tăng độ ổn định của gương đào lò và nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời đảm bảo an toàn cho người lao động.
NGHIÊN CỨC KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ BƠM ÉP NƯỚC CHO ĐIỀU KIỆN VỈA 14.5 MỎ THAN KHE CHÀM III
Đặc điểm và tính chất của than tại mỏ Khe Chàm III
Than tại mỏ Khe Chàm III có những đặc điểm và tính chất đã được xác định qua các báo cáo thăm dò ở nhiều giai đoạn, với kết quả đáng chú ý.
2.1.1 Đặc điểm thạch học của than
Than Khe Chàm có màu đen với vết vạch đen và độ ánh kim, bán kim, có vết vỡ dạng mắt, vỏ trai và dạng bậc sắc cạnh Cấu trúc của than đồng nhất, xen kẽ phân dải, thuộc loại nhiều cục, cứng, dòn và nhẹ Than ánh mờ với độ cứng thường giảm, trong khi than cám nguyên khai thường thấy ở phần vỉa bị nén ép với các mặt láng bóng hoặc phiến mỏng Dưới kính hiển vi, than Khe Chàm thể hiện ba kiểu chính: Claren, Clarenduren và Duren, trong đó Claren là loại phổ biến nhất trong các vỉa than Các thể tạo hình trong than có dạng dải, thấu kính riêng biệt hoặc khảm trên nền đồng nhất.
Than chứa khoảng 15% khoáng vật, bao gồm sét, thạch anh, carbônat và kết hạch siđêrit Sét trong than thường xuất hiện dưới dạng dải, lấp đầy các khe nứt hoặc bao thể riêng biệt Tại độ sâu 70,70 m ở LK2528, phát hiện kết hạch siđêrit có hình dạng tròn, bầu dục hoặc lục giác, với nhân kết hạch thường là các hạt thạch anh và canxit.
Thành phần vật chất trong than phản ánh môi trường hình thành của nó, bao gồm các đầm lầy có nước, ít hoặc không có dòng chảy, nơi vi sinh vật kị khí phát triển mạnh mẽ.
2.1.2 Các tính chất cơ bản của than
Than Khe Chàm có các đặc tính kỹ thuật đơn giản được xác định từ kết quả phân tích mẫu than trong công trình thăm dò Kết quả phân tích thạch học cho thấy than Khe Chàm có các chỉ tiêu kỹ thuật công nghệ tương tự như than ở các khu mỏ lân cận Than này thuộc nhãn antraxit đến bán antraxit, với các chỉ tiêu chất lượng cụ thể được ghi nhận rõ ràng.
- Độ ẩm phân tích (Wpt): Trị số độ ẩm các vỉa thay đổi từ 0,30% ÷ 4,19%, trung bình 2,13%
Độ tro khô (A k) của các vỉa trong khu vực nghiên cứu dao động từ 3,53% đến 39,92%, với giá trị trung bình là 18,96% Các vỉa V14-5ê, 15B, và 16 thuộc nhóm vỉa có độ tro rất cao, trong khi các vỉa còn lại có độ tro trung bình, nhưng vẫn thuộc nhóm vỉa có độ tro cao.
Chất bốc khối cháy (V ch) của than Khe Chàm dao động từ 2,20% đến 11,97%, với giá trị trung bình là 7,81% Điều này cho thấy các vỉa than Khe Chàm có mức độ biến chất đồng nhất và thuộc loại than biến chất cao Theo chỉ số này, toàn bộ các vỉa than Khe Chàm có thể được phân loại vào nhãn hiệu than bán antraxit.
Nhiệt lượng (Qch) của loại than này rất cao, với giá trị phân tích dao động từ 5532 Kcal/kg đến 9673 Kcal/kg, trung bình đạt 8216 Kcal/kg Đặc biệt, nhiệt lượng của các vỉa than chủ yếu tập trung trong khoảng từ 8000 đến 8500 Kcal/kg.
Hàm lượng lưu huỳnh chung (S ch) trong các vỉa than tại Khe Chàm dao động từ 0,09% đến 1,80%, với giá trị trung bình là 0,61% Đa số các vỉa than ở khu vực này thuộc nhóm vỉa ít lưu huỳnh, cho thấy tiềm năng khai thác và sử dụng hiệu quả.
Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng phốt pho (P) trong than là rất thấp, với giá trị dao động từ 0,000% đến 0,56%, trung bình đạt 0,016% Hầu hết các vỉa than đều có hàm lượng phốt pho trung bình nhỏ hơn 0,15%.
- Thành phần các nguyên tố của than:
Cacbon: Thay đổi từ 86,95% ÷ 97,42%, tập trung nhiều trong khoảng 90% ÷ 93%
- Tỉ trọng của than (d): Trị số trung bình tỷ trọng các vỉa than Khe Chàm đều lớn hơn 1,45g/cm 3 Tỷ trọng biến đổi từ 1,27 g/cm 3 ÷ 1,99 g/cm 3 , trung bình 1,58 g/cm 3
- Thể trọng (D): Thể trọng nhỏ Dn của than được xác định theo kết quả phân tích trong phòng thí nghiệm các mẫu thể trọng nhỏ (Dn), thể trọng lớn
D L được xác định trực tiếp từ các mẫu thể trọng lớn ngoài thực địa, và so sánh giữa thể trọng lớn và thể trọng nhỏ cho thấy sự chênh lệch không đáng kể Vì vậy, báo cáo đã sử dụng các kết quả xác định thể trọng lớn, bao gồm cả kết quả thể trọng lớn trung bình ở các vỉa.
Thể trọng trung bình của các vỉa than tại khu Khe Chàm là 1,39 T/m³ Việc nghiên cứu các đặc điểm và tính chất của than ở khu vực này trước đây chủ yếu tập trung vào một số tính chất phục vụ cho khai thác và chế biến Để phát triển các giải pháp bơm ép nước vào vỉa than nhằm tăng cường độ liên kết, cần tiến hành nghiên cứu và xác định thêm một số tính chất khác của than.
2.2 Thí nghiệm xác định một số tính chất cơ lý của than tại vỉa 14-5 mỏ than Khe Chàm III để phục vụ công tác bơm ép nước
Kinh nghiệm từ việc áp dụng giải pháp bơm ép nước tại các mỏ hầm lò ở Trung Quốc cho thấy rằng việc bơm nước vào vỉa với lượng hợp lý có thể tăng độ liên kết của than, giảm độ giòn và nâng cao độ ổn định của gương than Các tính chất của than như đặc điểm khe nứt, lỗ rỗng, tính thẩm thấu và độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của quá trình bơm ép nước Do đó, việc xác định các tính chất này của than là cần thiết trước khi tiến hành bơm ép nước.
Bài báo cáo này tập trung vào việc thiết kế giải pháp bơm ép nước nhằm tăng độ liên kết khối than tại Khe Chàm III, dựa trên cơ sở khoa học của quá trình này Các thí nghiệm sẽ được tiến hành để xác định các tính chất quan trọng của than, bao gồm độ ẩm tự nhiên, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, khả năng thẩm thấu, cường độ kháng cắt ở các mức độ ẩm khác nhau, và mối quan hệ giữa độ ẩm với cường độ kháng cắt, lực dính kết, góc nội ma sát Từ đó, sẽ xác định lượng nước bơm ép cần thiết để tăng cường sự liên kết của than trong điều kiện vỉa 14-5 Các thí nghiệm này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Địa cơ mỏ thuộc Viện KHCN Mỏ.
2.2.1 Lựa chọn vị trí lấy mẫu than
Theo kế hoạch khai thác tại mỏ Khe Chàm III, vỉa 14-5 có địa chất không ổn định và than mềm yếu Do đó, vị trí lấy mẫu than được chọn tại lò chợ 14-5-1D, nơi Công ty đang áp dụng công nghệ khoan nổ mìn và sử dụng giá thủy lực dạng xích để chống giữ Công tác lấy mẫu được thực hiện theo quy trình đã định.
để phục vụ công tác bơm ép nước
Lựa chọn vị trí lấy mẫu than
Theo kế hoạch khai thác tại mỏ Khe Chàm III, vỉa 14-5 được xác định có điều kiện địa chất không ổn định và than mềm yếu Do đó, vị trí lấy mẫu than được chọn tại lò chợ 14-5-1D Tại đây, Công ty đang áp dụng công nghệ khoan nổ mìn và sử dụng giá thủy lực dạng xích để chống giữ Công tác lấy mẫu diễn ra theo quy trình đã được thiết lập.
Để lấy mẫu than ở gương lò chợ, cần thực hiện tại ba vị trí: (1) từ giá 10 đến giá 20, (2) đoạn lò chợ từ giá 40 đến giá 50, và (3) đoạn từ giá 65 đến giá 75 Tại mỗi vị trí, sẽ thu thập 08 mẫu ở các phần nóc, giữa và nền của gương lò chợ.
Lấy mẫu than từ lò dọc vỉa vận tải và thông gió của lò chợ nhằm xác định độ ẩm tự nhiên, khối lượng riêng và khối lượng thể tích Vị trí lấy mẫu được thực hiện ở thành lò, với mỗi vị trí lấy 03 mẫu than, đảm bảo rằng các mẫu này giữ nguyên trạng thái kết cấu ban đầu.
Các vị trí lấy mẫu than xem tại bảng 2.1 và hình 2.1
Bảng 2.1 - Các vị trí lấy mẫu than tại lò chợ 14-5-1D vỉa 14-5
TT Vị trí lấy mẫu Số lƣợng (mẫu) Ghi chú
2 Lò dọc vỉa thông gió LC14-5-1D 03 Mẫu than được bảo quản trong túi và thùng kín để tránh bay hơi
3 Lò dọc vỉa vận tải LC14-5-1D 03
1 Mẫu than lấy tại lò chuẩn bị 2 Mẫu than lấy tại gương lò chợ
Các phương pháp thí nghiệm xác định tính chất cơ lý của than vỉa 14-5
1 Phương pháp thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên của than Độ ẩm tự nhiên của mẫu than được xác định theo TCVN 4196-1995 Mẫu than để xác định độ ẩm ở trạng thái cấu trúc nguyên trạng được đặt trong các túi và hộp kín để tránh bay hơi Các thiết bị, dụng cụ phục vụ công tác thí nghiệm gồm tủ sấy, cân kỹ thuật, cốc thủy tinh hoặc hộp nhôm có lắp được đánh số
Để xác định độ ẩm tự nhiên của than, đầu tiên, lấy mẫu than và cho vào cốc thủy tinh hoặc hộp nhôm có nắp đã đánh số Sau đó, nhanh chóng đậy nắp và cân trên cân kỹ thuật để xác định khối lượng ban đầu (m1) Mở nắp và sấy khô mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105 ± 2°C cho đến khi khối lượng không đổi, với thời gian sấy ít nhất hai lần: lần đầu 3 giờ và lần sau 5 giờ Sau khi sấy đủ thời gian, lấy cốc hoặc hộp ra, đậy nắp ngay và đặt vào bình hút ẩm từ 45 phút đến 1 giờ để làm nguội Cuối cùng, cân cốc hoặc hộp đã nguội để xác định khối lượng than đã sấy khô (mo), lấy khối lượng nhỏ nhất trong các lần cân làm kết quả cuối cùng.
1 Tủ sấy mẫu 2 Cân kỹ thuật
Hình 2.2 - Một số thiết bị thí nghiệm độ ẩm tự nhiên của than Độ ẩm của tự nhiên của mẫu than (W) được tính bằng % theo công thức sau:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các khối lượng liên quan đến cốc thủy tinh hoặc hộp nhôm, bao gồm: m - khối lượng của cốc thủy tinh hoặc hộp nhôm (g); mo - khối lượng của than đã được sấy khô đến trạng thái không đổi cùng với cốc thủy tinh hoặc hộp nhôm (g); và m1 - khối lượng của than ở trạng thái tự nhiên kết hợp với cốc thủy tinh hoặc hộp nhôm (g).
2 Phương pháp xác định khối lượng thể tích của than
Khối lượng thể tích của than được xác định theo phương pháp bọc sáp theo TCVN 4202:2012 Mẫu than cần có cấu trúc nguyên trạng, độ ẩm tự nhiên, hình dạng bầu dục và thể tích tối thiểu 30 cm³ Các thiết bị thí nghiệm bao gồm cân kỹ thuật, cốc thủy tinh 500 ml, chỉ, sáp, và bếp cát.
1 Mẫu than trước khi bọc sáp 2 Mẫu than sau khi bọc sáp
Hình 2.3 - Mẫu than thí nghiệm xác định khối lƣợng thể tích
Để xác định khối lượng thể tích của mẫu than theo phương pháp bọc sáp, trước tiên cần cân mẫu than để xác định khối lượng trong không khí Sau đó, bọc một lớp sáp trắng nguyên chất với độ dày từ 0,5 đến 1,0 mm lên mẫu than, lưu ý kiểm tra khối lượng thể tích của sáp trước Cuối cùng, cân mẫu than đã bọc sáp trên cân kỹ thuật cả trong không khí và trong nước để xác định khối lượng trong hai môi trường này.
Khối lượng thể tích của mẫu than được tính theo công thức:
Trong nghiên cứu này, khối lượng mẫu than trước khi bọc sáp được ký hiệu là m (g) Sau khi bọc sáp, khối lượng mẫu than được cân trong không khí là m1 (g) và khối lượng mẫu than bọc sáp khi cân trong nước là m2 (g).
n - là khối lượng riêng của nước, (n = 1 g/cm³);
p - là khối lượng riêng của sáp, (p = 0,93 g/cm³)
3 Phương pháp xác định khối lượng riêng của than
Khối lượng riêng của than được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 4195:12 Để tiến hành thí nghiệm, mẫu than cần được sàng qua rây N°2 và sấy khô đến khi đạt khối lượng không đổi Các thiết bị cần thiết cho thí nghiệm bao gồm bình tỉ trọng, cân kỹ thuật, bếp cát và nước cất.
Hình 2.4 - Mẫu than thí nghiệm xác định khối lƣợng riêng
Để xác định khối lượng riêng của mẫu than, đầu tiên lấy khoảng 15 g mẫu than cho vào bình tỉ trọng và cân để xác định khối lượng của bình chứa than (m0) Sau đó, đổ nước cất vào khoảng một nửa thể tích bình, lắc đều và đun sôi trong 30 phút đến 1 giờ Khi đun xong, cho thêm nước cất vào bình đến vạch và làm nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó xác định nhiệt độ huyền phù Tiếp theo, lau khô bề mặt bình và cân để xác định khối lượng bình chứa đầy than (m2) Cuối cùng, đổ than ra, rửa sạch bình, cho nước cất đã đun sôi vào bình đến vạch và làm nguội đến cùng nhiệt độ huyền phù, rồi cân để xác định khối lượng bình chứa đầy nước (m3).
Khối lượng riêng của than được xác định theo công thức sau: m n m m
Trong đó: m 0 - Khối lượng của than khô tuyệt đối trong bình, (g); m2 - Khối lượng bình tỷ trọng chứa đầy nước và than, (g); m3 - Khối lượng bình tỷ trọng chứa đầy nước, (g);
n - khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tiến hành thí nghiệm, (g/cm³)
4 Phương pháp xác định hệ số thẩm thấu của than
Hệ số thấm của than được xác định theo phương pháp cột nước không đổi theo TCVN 8723:2012, bằng cách đo lượng nước thấm qua tiết diện mẫu than trong thời gian nhất định dưới tác dụng của cột nước không đổi Phương pháp này áp dụng định luật chảy tầng của Darcy để tính toán hệ số thấm Các thiết bị thí nghiệm cần thiết bao gồm ống mẫu thấm, thùng cấp nước, đầm gỗ, nhiệt kế có độ chính xác 0,5 °C, và đồng hồ bấm giây.
1 Thùng kim loại tròn kín đáy
2 Bản kim loại đục lỗ
6 Lỗ thoát nước thấm ra
Hình 2.5 - Dụng cụ đo hệ số thẩm thấu của than
Để xác định hệ số thẩm thấu của than, cần thực hiện các bước sau: chuẩn bị mẫu thí nghiệm, lắp ráp thiết bị ống mẫu thấm, cho mẫu vào ống thấm và tiến hành thí nghiệm Hệ số thấm của than, ký hiệu là Kth, được tính toán dựa trên chiều cao cột nước ở các ống đo áp và nhiệt độ nước T°C trong quá trình thí nghiệm, theo công thức: t H F.
Q - Lượng nước thấm hứng được trong thời gian t, (cm 3 );
F - Tiết diện thấm của mẫu than, bằng tiết diện ngang của ống mẫu, (cm 2 ); t - Thời gian thấm (s);
H - Hiệu số của chiều cao cột nước trong 2 ống đo áp (ống đo áp cao và ống đo áp thấp), (cm);
H1 - Chiều cao cột nước trong ống đo áp cao, (cm);
H2 - Chiều cao cột nước trong ống đo áp thấp, (cm);
Chiều dài thấm (L) được xác định là khoảng cách giữa tâm của hai lỗ trên thân ống mẫu, kết nối với hai ống đo áp suất: ống đo áp cao và ống đo áp thấp, và được tính bằng đơn vị centimet.
5 Phương pháp xác định cường độ kháng cắt của than với các miền độ ẩm và thời gian khác nhau
Nghiên cứu của Trung Quốc chỉ ra rằng lực hút trong khối than phi bão hòa nước đóng vai trò quan trọng trong độ bền của than Tuy nhiên, việc xác định lực hút hiện tại gặp khó khăn do trang thiết bị hạn chế tại các đơn vị nghiên cứu trong nước Do đó, báo cáo này đề xuất phương án thí nghiệm để xác định cường độ kháng cắt của than ở các mức độ ẩm khác nhau, từ đó xây dựng mối quan hệ giữa độ ẩm, lực dính kết và góc nội ma sát của than Điều này sẽ tạo cơ sở cho việc tính toán bơm ép nước nhằm tăng độ bền cho khối than trong quá trình khai thác và đào lò tại vỉa 14-5.
Cường độ kháng cắt của mẫu than được xác định theo TCVN 4199:1995 bằng phương pháp máy cắt phẳng, dựa trên định luật Coulomb về cường độ kháng cắt Trong quá trình thí nghiệm, mẫu than sẽ bị cắt theo một mặt phẳng xác định dưới tác động của các cấp áp lực nén khác nhau, và hiện tượng phá hủy sẽ xảy ra khi áp lực nén đạt đến giá trị cùng với ứng suất cắt tương ứng.
sẽ xác định được góc nội ma sát và lực dính kết C dựa trên đồ thị mối quan hệ - như hình 3.6 và phương trình sau:
- Cường độ chống cắt tại một thời điểm trên mặt cắt, (kPa);
- Ứng suất pháp tuyến tác dụng lên mặt cắt tại thời điểm đó, (kPa);
- Góc nội ma sát của than, ( o );
C - Lực dính kết của than, (kPa)
Máy cắt trực tiếp BU-32, thuộc về thiết bị thí nghiệm của Liên Xô cũ, hoạt động với ba cấp áp lực thẳng đứng khác nhau: 100 kPa, 200 kPa và 300 kPa (hình 2.7) Thiết bị này có hai trạng thái hoạt động: khi C = 0 và khi C > 0.
Hình 2.6 - Đồ thị mối quan hệ giữa sức chống cắt và áp lực pháp tuyến
Hình 2.7 - Máy thí nghiệm kháng cắt BU-23
Dựa trên phương pháp và thiết bị thí nghiệm đã sử dụng, báo cáo đã lựa chọn phương án gia công các mẫu than với độ ẩm từ 6% đến 32% Kết quả cho thấy, khi độ ẩm dưới 8%, các hạt than không kết dính và dễ nát vụn, không thể gia công Khi độ ẩm từ 8% đến 28%, các hạt than kết dính tốt, tạo thành tập hạt lớn, thuận lợi cho việc tạo mẫu thí nghiệm Ngược lại, khi độ ẩm trên 30%, mẫu thí nghiệm trở nên mềm bở và dễ bị phá hủy Tuy nhiên, trong quá trình gia công, việc tính toán thêm nước dựa vào độ ẩm tự nhiên của than dẫn đến sự khác biệt giữa độ ẩm thực tế của các mẫu thí nghiệm và phương án đã chọn, do đó kết quả thí nghiệm cần được căn cứ vào độ ẩm thực tế làm chuẩn.
Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố tới độ bền khối than
2.3.1 Ảnh hưởng độ ẩm than tới lực dính kết
Kinh nghiệm bơm ép nước vào vỉa than tại các mỏ hầm lò Trung Quốc cho thấy rằng sau khi bơm, lực dính kết của than tăng lên nhờ hai yếu tố chính Thứ nhất, sự hút lẫn nhau giữa các hạt than dưới áp lực mỏ làm cho khối than gương bị phá vỡ thành các hạt nhỏ, tạo ra diện tích bề mặt lớn và lực hút mạnh Thứ hai, sự hiện diện của nước tạo ra cấu trúc màng nước xung quanh các hạt than, kết nối chúng thành các tập hạt lớn hơn, từ đó hình thành lực dính kết đáng kể cho than.
Để đánh giá ảnh hưởng của nước đến lực dính kết của mẫu than tại vỉa 14-5 mỏ than Khe Chàm III, chúng tôi đã thực hiện các thí nghiệm và thu được kết quả như trong bảng 2.7 Dựa trên dữ liệu này, biểu đồ mối quan hệ giữa độ ẩm và lực dính kết được xây dựng như hình 2.13, với phương trình hồi quy y = -0,07x² + 2,65x - 14,31 và hệ số xác định R² = 0,65.
L ực dín h kết ( kP a) Độ ẩm thực tế (%)
Hình 2.13 - Biểu đồ mối quan hệ giữa độ ẩm thực tế và lực dính kết
Biểu đồ hình 2.13 cho thấy rằng khi độ ẩm của mẫu than tăng từ 7,07% đến 17,14%, giá trị lực dính kết C của mẫu cũng tăng theo Trong khoảng độ ẩm này, các giá trị lực dính kết gần với đường xu hướng Khi độ ẩm tiếp tục tăng từ 17,14% đến 25,34%, giá trị lực dính kết đạt mức cao nhất Tuy nhiên, khi độ ẩm tăng từ 25,34% đến 29,50%, giá trị lực dính kết bắt đầu giảm dần theo mức tăng của độ ẩm.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi độ ẩm của mẫu than nhỏ hơn 7,07%, cấu trúc màng nước giữa các hạt than chưa thể liên kết, dẫn đến lực dính kết gần như bằng 0 Khi độ ẩm tăng từ 7,07% đến 25,34%, sự liên kết giữa các hạt than bắt đầu hình thành, làm tăng giá trị lực dính kết Tuy nhiên, khi độ ẩm vượt quá 25,34%, độ dày của màng nước tăng lên, làm giảm tác dụng liên kết và tăng sự trượt giữa các màng nước, dẫn đến lực dính kết giảm Do đó, việc bơm nước vào vỉa than để đạt độ ẩm từ 17,14% đến 25,34% sẽ mang lại hiệu quả bơm ép cao nhất.
2.3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến lực dính kết của khối than y = -0,00x 2 + 0,13x + 14,58 R² = 0,95
Hình 2.14 - Mối quan hệ giữa lực dính kết và thời gian
Đồ thị trong Hình 2.14 thể hiện mối quan hệ giữa lực dính kết và thời gian đối với mẫu than có độ ẩm đồng nhất, trong khoảng từ 0 đến 51 giờ Đường cong của đồ thị có dạng phương trình bậc hai cho thấy rằng trong khoảng thời gian từ 0 đến 20 giờ, lực dính kết của mẫu than tăng dần theo thời gian Tuy nhiên, khi thời gian vượt quá 20 giờ, lực dính kết có xu hướng giảm nhẹ, mặc dù mức độ giảm không đáng kể Do đó, việc bơm ép nước trước gương chỉ nên thực hiện trong khoảng thời gian từ 1 đến 2 ngày.
2.3.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tới góc nội ma sát y = -0,04x + 13,08 R² = 0,52
G óc nộ i m a sá t (độ ) Độ ẩm thực tế (%)
Hình 2.15 - Đồ thị mối quan hệ giữa góc nội ma sát và độ ẩm thực tế
Dựa trên kết quả thí nghiệm từ bảng 2.7, báo cáo đã xây dựng đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa góc nội ma sát và độ ẩm của than (hình 2.15) Đồ thị cho thấy rằng khi độ ẩm của than tăng lên, góc nội ma sát có xu hướng giảm dần, mặc dù sự biến đổi này có tính ly tán tương đối lớn.
Kết quả cho thấy, khi độ ẩm tăng lên, các hạt than phát sinh nhiều tác dụng cơ lý, trong đó nước đóng vai trò quan trọng Nước không chỉ làm tăng lực dính kết của mẫu than mà còn có tác dụng bôi trơn, giúp giảm góc nội ma sát của mẫu than.
2.3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến góc nội ma sát của khối than y = 0,02x + 11,25 R² = 0,36
Hình 2.16 - Mối quan hệ giữa lực ma sát và thời gian
Hình 2.16 minh họa mối quan hệ giữa góc ma sát và thời gian đối với mẫu than có độ ẩm đồng nhất Qua đồ thị, có thể nhận thấy rằng mối liên hệ giữa góc nội ma sát và thời gian duy trì độ ẩm không đáng kể.
Hiện tượng lở gương khi khai thác, đào lò tại các vỉa than mềm yếu, bở rời
2.4.1 Sự hình thành và phân bố các khu vực biến dạng của khối than trước gương lò chợ
Trong quá trình khai thác, khối than trước gương lò chợ chịu tác động của vùng áp lực tựa, dẫn đến sự xuất hiện tính dẻo và dập vỡ, hình thành các khu vực dập vỡ và khu vực không có tính đàn hồi Sự thay đổi này làm suy yếu kết cấu khối than và giảm tính ổn định, dễ gây ra hiện tượng lở gương Khi xa dần gương than, khối than chuyển sang trạng thái ứng suất thấp, khả năng chịu tải được nâng cao, tạo ra khu vực có tính đàn hồi Các khu vực biến dạng của khối than phía trước gương lò chợ được thể hiện rõ trong hình 2.17.
I - Khu vực dập vỡ; II - Khu vực có tính dẻo; III - Khu vực có tính đàn hồi; x 1
- Chiều rộng khu vực dập vỡ; x 2 - Chiều rộng khu vực có tính dẻo; x 0 - Chiều rộng khu vực không có tính đàn hồi;
Hình 2.17 - Các khu vực biến dạng khối than phía trước của gương lò chợ
Kích thước khu vực dập vỡ và khu vực dẻo trước gương chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự gia tăng áp lực mỏ trong vùng áp lực tựa, cũng như tính chất cơ lý và cấu trúc của than nguyên khối.
Dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn của khối đá, có thể xác định chiều rộng khu vực dẻo và khu vực dập vỡ, tức là khoảng cách từ mép gương lò chợ đến điểm chịu áp lực tựa lớn nhất trước gương.
K - Hệ số ứng lực tập trung; p1- Trở lực chống giữ của gương lò chợ;
C - Lực dính kết của khối than;
- Góc nội ma sát của khối than; f - Hệ số ma sát bề mặt tiếp xúc giữa vỉa than và vách trụ vỉa;
- Hệ số ứng suất ba trục,
- Trọng lượng thể tích trung bình của các lớn đá vách; h - Chiều cao khấu gương lò chợ
2.4.2 Các hình thức lở gương than
Hình 2.18 - Các hình thức lở gương than
Các nghiên cứu thực nghiệm tại các mỏ than hầm lò cho thấy lở gương than chủ yếu có hai dạng: lở gương theo dạng phá huỷ cắt và lở gương theo dạng phá huỷ kéo.
1 Lở gương theo dạng phá hủy cắt
Lở gương theo dạng phá hủy cắt xuất hiện trong vỉa than mềm dưới tác dụng của áp lực mỏ, gây ra ứng lực kéo theo phương ngang Khi ứng suất cắt trong gương than vượt quá cường độ kháng cắt, hiện tượng phá hủy dạng cắt trượt xảy ra Bề mặt cắt trượt thường có hình dạng cong, nhưng khi chiều cao gương lò chợ và chiều cao trượt lở gương không lớn, có thể đơn giản hóa thành mặt phẳng Dựa trên lý thuyết Mohr - Coulomb, nguyên tắc phá hủy được mô tả như sau:
Lực kháng cắt D men theo mặt cắt giải phóng lực trượt S, khi giá trị nhỏ hơn 0, gương than sinh ra phá huỷ cắt, dùng dư lượng G để biểu thị: x = (1,39k +0,35)h’
Hình 2.19 -Mô hình phân tích phá vỡ dạng cắt của gương lò chợ
N, S là do 2 bộ phận áp lực đá vách và trọng lượng bản thân của khối than bị phá vỡ tạo thành Áp lực đá vách P = q.h.tan Tự trọng khối trượt W
Theo lý thuyết Mohr - Coulomb, ta có công thức tính toán liên quan đến dung trọng than, với = 45 - /2, N = (P + W) sin, S = (P + W) cos Từ đó, quy tắc phá huỷ cắt gương than được xác định qua công thức (2-2).
G = Ch ’ sec + (gh ’ + h 2 g’/2) (sin tan - cos) tan ≤ 0
C - là lực dính kết của than;
- là góc nội ma sát của than;
N - là lực pháp tuyến trên mặt trượt;
S - là lực cắt trên mặt cắt; h’ - là chiều cao phá huỷ của mặt cắt; q - là tải trọng đá vách tập trung;
- là góc kẹp giữa mặt trượt và gương than
2 Lở gương theo dạng phá hủy kéo
Gương than bị phá vỡ ở dạng phá hủy kéo thường gặp ở than cứng dòn, với lượng biến dạng nhỏ Nguyên nhân chính của sự phá vỡ này là do áp lực đá vách tạo ra ứng suất kéo theo phương ngang, mà lực này không thể được giải phóng qua biến dạng của khối than Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ kháng kéo, gương than sẽ bị phá vỡ, thường kèm theo âm thanh nứt vỡ Lý thuyết cơ học đàn hồi chỉ ra rằng nguyên tắc phá vỡ này là một yếu tố quan trọng trong quá trình khai thác than.
Rt - là cường độ kháng kéo của than;
K - là hệ số điều chỉnh ứng lực;
P - là áp lực mà gương than phải chịu; h’ - là chiều cao gương than
Cơ chế lở gương than diễn ra chủ yếu dưới hai dạng: lở gương than do phá hủy cắt và lở gương than do phá hủy kéo Nguyên nhân chính dẫn đến lở gương liên quan đến áp lực đá vách, cường độ kháng cắt, kháng kéo và các tính chất khác của than Do đó, nghiên cứu giảm thiểu áp lực mỏ tác động lên gương than và cải thiện tính chất cơ lý của than là những hướng nghiên cứu quan trọng nhằm phòng ngừa sự trượt lở gương than.
Cơ sở khoa học của việc bơm ép nước phòng ngừa lở gương than
1 Tác dụng của nước với ứng suất của than
Khi phân tích than mềm yếu, có thể áp dụng các lý thuyết cơ học đất do tính chất tương tự với đất Sau khi bơm nước, khối than chuyển thành dạng ba pha: pha rắn là các hạt than, pha lỏng là nước trong các khe nứt và lỗ rỗng, và pha khí là các loại khí tồn tại trong khối Theo nguyên lý ứng suất hiệu quả của Terzaghi, dưới tác động của ngoại lực, ứng suất trong vật chất ba pha phát sinh từ sự tiếp xúc giữa các hạt rắn và áp lực của pha lỏng trong các lỗ rỗng.
Hình 2.20 - Khả năng chịu tải của vật chất dạng 3 pha
Khi than ở trạng thái bão hòa, nước thâm nhập hoàn toàn vào các khe nứt và lỗ rỗng trong khối than, tạo ra áp lực thủy tĩnh hay áp lực nước lỗ rỗng Nếu nước không thoát ra, áp lực này chỉ tác động dưới dạng áp lực nén thủy tĩnh lên các hạt than mà không làm chúng dịch chuyển Khi áp lực nén của các hạt có thể bỏ qua, áp lực nước lỗ rỗng được coi là ứng suất trung hòa Ngược lại, ứng suất do trọng lượng bản thân truyền qua các hạt làm thay đổi cường độ khối than được xem là ứng suất có hiệu quả σ’.
Tổng ứng lực tác dụng lên vật chất ba pha với các điểm tiếp xúc dạng mặt phẳng cong được thể hiện qua mật độ tập trung chặt chẽ của các hạt than Khi coi các điểm tiếp xúc là một đường thẳng, diện tích mặt bất kỳ của khối than chịu tác dụng của tổng ứng lực có thể được mô tả bằng phương trình cụ thể.
A – Tiết diện chịu tác dụng của tổng ứng lực, (m 2 );
As – Tổng tiết diện tiếp xúc của các hạt than, (m 2 );
Aw – Tổng tiết các lỗ rỗng, (m 2 )
Nước trong vật chất dạng 3 pha có tính lưu động, và khi chịu tác động của ngoại lực, pha này sẽ chuyển động Áp lực nước lỗ rỗng phân bố không đồng đều, do đó tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hiệu quả cần phải thỏa mãn một điều kiện nhất định.
’– Ứng suất có hiệu quả, (MPa); u – Áp lực nước lỗ rỗng hay còn gọi là áp lực thủy tĩnh, (MPa);
Công thức ứng suất hiệu quả của Terzaghi cho thấy rằng trước khi bơm ép nước, tổng ứng suất của khối than chủ yếu đến từ trọng lượng bản thân Sau khi bơm nước, tổng ứng suất không thay đổi nhưng ứng suất hiệu quả giảm do áp lực nước lỗ rỗng, dẫn đến việc giảm tác động lên các hạt trong khối than Nước thay thế một phần ứng suất của các hạt, làm giảm giá trị ứng lực tại khu vực bơm ép và nâng cao độ ổn định của gương than.
2 Phân bố áp lực tựa trước gương than sau khi bơm ép nước
Các thực nghiệm cho thấy rằng khi độ ẩm tăng, tính dòn của than giảm và tính dẻo tăng Nguyên lý bơm ép nước để phòng ngừa lở gương than là khi bơm nước, khối than sẽ ẩm hơn, dẫn đến giảm tính dòn và tăng tính dẻo Sự thay đổi này làm gia tăng chiều rộng vùng biến dạng không đàn hồi trước gương và dịch chuyển vùng biến dạng đàn hồi, từ đó phân bố lại áp lực tựa trước gương Kết quả là mức độ ảnh hưởng đến gương than giảm, giúp giảm thiểu hiện tượng lở gương Hình 2.21 minh họa vùng phân bố áp lực tựa tại gương than trước và sau khi bơm ép nước.
Hình 2.21 - Phân bố áp lực tựa trước gương trước và sau khi bơm ép nước
Chiều rộng lớn nhất của vùng biến dạng không đàn hồi trước khi bơm ép được ký hiệu là I, trong khi II đại diện cho chiều rộng lớn nhất của vùng biến dạng đàn hồi Vùng mở rộng của áp lực tựa trước khi bơm ép được ký hiệu là III Sau khi bơm ép, chiều rộng lớn nhất của vùng biến dạng không đàn hồi là I’ và chiều rộng lớn nhất của vùng biến dạng đàn hồi là II’ Cuối cùng, vùng mở rộng của áp lực tựa sau khi bơm ép được ký hiệu là III’.
Áp dụng công nghệ bơm ép nước cho điều kiện vỉa 14.5 mỏ Khe Chàm III
Dựa trên các thí nghiệm xác định tính chất của vỉa than 14.5 mỏ than Khe Chàm III, luận văn đề xuất giải pháp bơm ép nước để gia tăng độ liên kết của than trong quá trình khai thác và đào lò Giải pháp này nhằm hạn chế tình trạng tụt lở than, đảm bảo an toàn, giảm ách tắc sản xuất và cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động.
Nhận xét
Để thiết kế giải pháp bơm ép nước tăng cường độ liên kết trong điều kiện địa chất không ổn định tại Công ty than Khe Chàm, luận văn đã tiến hành lấy mẫu và thực hiện các thí nghiệm nhằm xác định những tính chất quan trọng của than như độ ẩm tự nhiên, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, tính thấm và sức kháng cắt của than dưới các điều kiện độ ẩm và thời gian khác nhau Kết quả thu được đảm bảo độ tin cậy cao, phục vụ hiệu quả cho công tác thiết kế và xây dựng giải pháp bơm ép nước trong thực tiễn.
THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BƠM ÉP NƯỚC TĂNG ĐỘ LIÊN KẾT CỦA
HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP
3.1 Lựa chọn giải pháp bơm ép nước
Hiện nay, tại Trung Quốc, việc bơm ép nước vào vỉa than để gia tăng độ bền khối than đang được áp dụng rộng rãi Phương pháp này tùy thuộc vào chiều dài và vị trí của lỗ khoan, bao gồm các giải pháp như bơm ép nước qua lỗ khoan ngắn, lỗ khoan trung bình, lỗ khoan dài, và kết hợp giữa lỗ khoan dài với lỗ khoan trung bình.
3.1.1 Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn được áp dụng tại các khu vực khai thác có vỉa mỏng đến dày trung bình, đặc biệt trong những khu vực có đứt gãy và độ dốc không ổn định Các lỗ khoan thường được bố trí ở phần nửa trên của gương lò chợ, với chiều dài từ 2,0 đến 3,5 m và khoảng cách giữa các lỗ khoan từ 3,0 đến 5,0 m, tùy thuộc vào bán kính thẩm thấu nước Việc bố trí này nằm trong vùng dỡ tải của áp lực tựa, giúp tạo ra nhiều khe nứt thứ sinh trong khối than, tăng tính thấm và làm cho quá trình bơm ép nước trở nên thuận lợi mà không cần áp lực cao.
Hình 3.1 - Bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn và lỗ khoan trung bình
Giải pháp bố trí mạng lỗ khoan giúp tăng độ bền của khối than tại khu vực khấu gương lò chợ nhờ vào việc thi công khoan bơm ép nước nhanh chóng với các lỗ khoan ngắn Tuy nhiên, nhược điểm của giải pháp này là phải dừng các hoạt động khác trong gương lò chợ, gây gián đoạn sản xuất, và quá trình bơm ép có thể dẫn đến phình lở gương nếu không được kiểm soát chặt chẽ.
3.1.2 Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình
Giải pháp bơm ép nước qua các lỗ khoan trung bình thường được áp dụng trong các vỉa có chiều dày và góc dốc ổn định, đặc biệt phù hợp với các lò chợ có thời gian nghỉ định kỳ để bảo trì thiết bị Phương pháp này sử dụng các lỗ khoan dài từ 5,0 đến 25,0 m để bơm nước vào vùng chịu ứng suất lớn nhất, nhằm gia cố cho gương than khi khấu tiến Khi gương khấu tiến đến vị trí bơm ép nước, khối than đã đạt được tính liên kết tối đa Các lỗ khoan thường được khoan thẳng theo phương vỉa hoặc khoan xiên về phía vách vỉa với góc từ 15° đến 25° tùy theo chiều dày vỉa.
Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan xem hình 3.1b
Giải pháp bơm ép nước qua các lỗ khoan trung bình giúp tăng cường tính liên kết của khối than phía trước gương lò chợ, đồng thời hạn chế hiện tượng phình lở gương So với phương pháp bơm ép nước bằng lỗ khoan ngắn, giải pháp này có số lượng lỗ khoan ít hơn và phạm vi thẩm thấu lớn hơn Tuy nhiên, nhược điểm của nó là yêu cầu khối lượng và thời gian khoan bơm ép lớn, khiến gương lò chợ phải dừng lâu để chờ bơm ép, ảnh hưởng đến tốc độ khấu gương và sản lượng lò chợ.
3.1.3 Bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài
Giải pháp bơm ép nước qua các lỗ khoan dài là phương pháp hiệu quả cho các vỉa có chiều dày và góc dốc ổn định, đặc biệt phù hợp với các lò chợ cơ giới hóa có tốc độ tiến gương nhanh Chiều dài lỗ khoan thường dao động từ 30 đến 100 m, và các lỗ khoan được bố trí dọc theo vỉa vận tải và thông gió, có thể khoan lên hoặc khoan xuống theo hướng dốc của vỉa than Các phương pháp khoan bao gồm khoan từ trên xuống, khoan từ dưới lên, hoặc khoan từ cả hai phía.
Hình 3.2 - Bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài
Trong trường hợp bố trí mạng lỗ khoan dài song song từ một phía, các lỗ khoan thường được thi công từ lò dọc vỉa vận tải hoặc lò dọc vỉa thông gió Khoảng cách giữa các lỗ khoan phụ thuộc vào bán kính thẩm thấu nước của than, nhằm giảm chi phí khoan bơm ép nước nhưng vẫn đạt hiệu quả cao nhất về độ liên kết khối than Vị trí khoan bơm ép nước thường cách gương khấu từ 20 đến 30 m, đảm bảo khối than được bơm ép đạt độ liên kết ổn định khi gương lò chợ tiến đến Giải pháp này có ưu điểm là số lượng lỗ khoan ít, phạm vi thẩm thấu lớn, và không ảnh hưởng đến sản xuất lò chợ Tuy nhiên, nhược điểm là thời gian thi công bơm ép nước lâu, thao tác khoan phức tạp, và có nguy cơ khoan vào vách hoặc trụ vỉa khi vỉa than không ổn định.
Trong trường hợp bố trí mạng lỗ khoan dài song song từ hai phía, các lỗ khoan được thực hiện đồng thời từ lò thông gió và lò vận tải Hệ thống lỗ khoan và các thông số kỹ thuật khoan bơm ép nước tương tự như khi bố trí từ một phía Giải pháp này có ưu điểm là chiều dài mỗi lỗ khoan ngắn hơn, giúp công tác thi công nhanh chóng và đơn giản hơn Tuy nhiên, nhược điểm là số lượng lỗ khoan nhiều, cần hai nhóm khoan bơm ép nước để đảm bảo tiến độ, dẫn đến tăng nhân lực và chi phí đầu tư thiết bị Thao tác khoan bơm ép nước ở lò vận tải cũng phức tạp do thiết bị vận tải, và nước thoát ra trong quá trình khoan có thể ảnh hưởng đến thiết bị này.
Hình 3.3 - Bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài rẻ quạt và hỗn hợp
Trong việc bố trí mạng lỗ khoan dài, các lỗ khoan kiểu rẻ quạt được thiết kế từ lò thông gió và vận tải, với các trạm khoan bơm ép nước cách nhau từ 50 đến 60 m Nếu không gian trong lò chật hẹp, cần đào cúp vào hông lò để đặt máy khoan Tại mỗi trạm khoan, các lỗ khoan có chiều dài từ 30 đến 65 m, tùy thuộc vào chiều dài gương lò chợ, và góc giữa các lỗ khoan liền kề nằm trong khoảng 10 đến 25 độ.
Lỗ khoan được bố trí song song với vách trụ vỉa, sử dụng sơ đồ mạng lỗ khoan kiểu rẻ quạt giúp giảm số lần di chuyển máy khoan và cho phép bơm ép nước nhiều lỗ cùng lúc, từ đó rút ngắn thời gian khoan bơm Phương pháp này cũng giải quyết vấn đề không gian hạn chế trong các khu vực đường lò, không ảnh hưởng đến thiết bị vận tải than và hoạt động khai thác Tuy nhiên, nhược điểm của cách bố trí này là nước thẩm thấu không đều giữa các lỗ khoan, làm khó khăn trong việc xác định thời gian và lượng nước bơm hợp lý để tối ưu hóa độ liên kết của than Thêm vào đó, việc đào các cúp khoan bơm ép nước cũng dẫn đến chi phí tăng cao.
4 Bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài kết hợp với lỗ khoan trung bình
Khi bố trí lỗ khoan dài kết hợp với lỗ khoan trung bình song song từ dọc vỉa lò thông gió và vận tải, lỗ khoan dài được khoan bơm ép nước với thông số kỹ thuật tương tự như giải pháp bố trí mạng lỗ khoan dài song song Việc sử dụng lỗ khoan trung bình khoan song song và xen kẽ với lỗ khoan dài giúp nước thẩm thấu đều vào vỉa than, bổ sung cho khu vực giữa các lỗ khoan dài Phương pháp này không ảnh hưởng đến công tác khai thác lò chợ, nhưng khối lượng công việc khoan và di chuyển hệ thống máy khoan bơm ép nước phức tạp hơn so với phương pháp không bố trí lỗ khoan trung bình xen kẽ.
Dựa trên các điều kiện áp dụng, ưu nhược điểm của các giải pháp bơm ép nước, cùng với điều kiện địa chất và công nghệ khai thác lò chợ, báo cáo đề xuất giải pháp bơm ép nước cho điều kiện vỉa 14-5 mỏ than Khe Chàm III.
(1) Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình cho các gương lò chợ chống bằng giá xích và các gương đào lò trong than tại vỉa 14-5
Giải pháp bơm ép nước được thực hiện thông qua các lỗ khoan dài tại lò dọc vỉa thông gió và lò dọc vỉa vận tải, nhằm hỗ trợ cho lò chợ chống bằng giá xích và các gương đào lò trong khu vực than tại vỉa 14-5.
3.2 Thiết kế giải pháp bơm ép nước
3.2.1 Lựa chọn khu vực thiết kế
Bài báo cáo đã lựa chọn khu vực áp dụng giải pháp bơm ép nước bằng lỗ khoan trung bình và lỗ khoan dài cho lò chợ chống giữ bằng giá xích 14-5-1D Các đặc điểm điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ của các lò chợ được trình bày trong bảng 3.1 Sơ đồ đường lò chuẩn bị cho các khu vực áp dụng giải pháp bơm ép nước nhằm tăng độ liên kết của than được thể hiện trong hình 3.4.
Sơ đồ nguyên lý của các giải pháp bơm ép nước bằng lỗ khoan trung bình và giải pháp bơm ép nước bằng lỗ khoan dài xem hình 3.5
Bảng 3.1 - Điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ của các khu vực thiết kế
TT Điều kiện địa chất và các thông số của lò chợ Số lƣợng
1 Chiều dày vỉa trung bình (m) 5,0
2 Góc dốc vỉa trung bình (độ) 27
3 Chiều dài theo phương khu khai thác (m) 160
4 Chiều dài theo hướng dốc khu khai thác (m) 105
5 Chiều cao khấu gương lò chợ (m) 2,2
6 Chiều cao hạ trần than nóc (m) 2,8
Hình 3.4 - Sơ đồ đường lò chuẩn bị lò chợ 14-5-1D
1 Bơm ép nước bằng lỗ khoan trung bình 2 Bơm ép nước bằng lỗ khoan dài
Hình 3.5- Sơ đồ nguyên lý của các giải pháp bơm ép nước
1 - Đường ống cấp nước; 2 - Máy bơm; 3 - Đồng hồ lưu lượng; 4 - Đồng hồ áp suất;
5 - Van; 6 - Đồng hồ áp suất; 7 - Nút bịt lỗ khoan; 8 - Lỗ khoan
3.2.2 Tính toán xây dựng hộ chiếu bơm ép nước bằng lỗ khoan trung bình tại lò chợ 14-5-1D
1 Phân tích lựa chọn chiều dài lỗ khoan và đường kính lỗ khoan
Theo kinh nghiệm thực tế từ việc áp dụng bơm ép nước bằng lỗ khoan tại các mỏ hầm lò ở Trung Quốc, cho thấy lỗ khoan thường được bố trí trước gương trong khu vực dập vỡ của vùng áp lực tựa để ngăn ngừa trượt gương Kết quả quan trắc cho thấy chiều rộng khu vực dập vỡ của vùng áp lực tựa trước gương thường dao động từ 5,0 đến 8,0 m Dựa trên những phân tích này, thiết kế chiều dài lỗ khoan bơm ép nước cho điều kiện lò chợ 14-5-1D được xác định.
6,0 m Với chiều dài lỗ khoan như trên, để đảm bảo thành lỗ khoan ổn định, các mỏ hầm lò của Trung Quốc thường chọn đường kính lỗ khoan là 42
