38 KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP GIẾNG TRONG HỆ THỐNG TRỤC TẢI GIẾNG ĐỨNG ThS Vũ Điǹh Mạnh, ThS Đoàn Ngọc Cảnh Viện Khoa học Công n[.]
THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP GIẾNG TRONG HỆ THỐNG TRỤC TẢI GIẾNG ĐỨNG ThS Vũ Đin ̀ h Mạnh, ThS Đoàn Ngọc Cảnh Viện Khoa học Công nghệ Mỏ -Vinacomin Biên tập: ThS Nguyễn Đình Thống Tóm tắt: Trên giới việc khai thác than hầm lị cơng nghệ giếng đứng ứng dụng rộng rãi, chiếm tỷ trọng đáng kể tổng sản lượng than khai thác hầm lò Tại Việt Nam, với nhu cầu sản lượng than khai thác tăng trung bình 16% năm, với điều kiện khai thác ngày xuống sâu, giải pháp sử dụng công nghệ giếng đứng mỏ áp dụng ngày nhiều Với nhu cầu sử dụng thiết bị trục tải giếng đứng nước ngày mợt tăng, việc nghiên cứu, tính toán thiết kế hệ thống trục tải có ý nghiã thực tiễn nhằm thúc đẩy phát triển hoàn thiện sản phẩm, từ đó đẩy mạnh công tác chế tạo, sử dụng thiết bị hệ thống trục tải giếng đứng nước Mở đầu: Hệ thống trục tải khâu quan trọng hệ thống vận tải mỏ khai thác hầm lị khai thơng giếng đứng, đảm bảo nối liền vận tải mỏ mặt Nhiệm vụ hệ thống vận chuyển khoáng sản, đất đá, thiết bị, nguyên vật liệu, người lên xuống trình hoạt động mỏ Với nhiệm vụ vậy, hệ thống trục tải giếng đứng có vai trị quan trọng mặt đảm bảo trì sản xuất an toàn lao động Một số hệ thống trục tải giới giới thiệu hình thông số kỹ thuật chúng bảng Hiện nay, Việt Nam khai thác sử dụng công Mỏ muối Kali Gremjacinsky, LB Nga Mỏ than, Trung Quốc Mỏ than Hoài Nam, Trung Quốc Mỏ sắt KMA, LB Nga Hình 1- Một số hệ thống trục tải giới 38 KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Bảng 1- Một số hệ thống trục tải giếng đứng giới Thông số kỹ thuật Độ sâu, Công suất Vận tốc, Địa điểm m ,kW m/s Mỏ Đồng- Thiếc Pyhashami-Phần Lan ABB-Thụy Điển 1.450 2.500 15,5 Mỏ Đồng Palabora- Nam Phi Siemag- Đức 1.290 6.400 Mỏ Sắt Kriuna - Thụy Điển ABB 710 5.600 17 Mỏ Kali Jansen- Canada ABB 1.000 14.000 Mỏ Nikel Norilsk- Nga Nga 2.000 Mỏ Than Oktiabrski- Ucrain Ucrain 1.585 Thiết bị Trục tải Tháp giếng mỏ Mông Dương Tải trọng nâng, T 21,5 30 34 - Tháp giếng mỏ Núi Béo Tháp giếng mỏ Hà Lầm Hình 2- Một số hình ảnh tháp giếng nghệ giếng đứng áp dụng mỏ than trục tải tháp giếng, hệ khung cốt giếng, hệ Mông Dương, Hà Lầm, Núi Béo, mỏ khác thống cấp dỡ tải… những thiết bị, kết cấu, Khe Chàm II-IV, Mạo Khê triển nước hoàn toàn có khả thiết kế, chế tạo nội khai xây dựng Hình ảnh thơng số hệ thống địa hóa Trong thiết bị Tháp giếng có vai trị thể hình bảng Trong thiết bị hệ thống trục tải quan trọng việc đảm bảo an toàn, giếng đứng, máy trục thiết bị cần đầu tư thời làm việc tin cậy hệ thống trục tải giếng đứng gian nghiên cứu lâu dài Hiện nước chưa Trong trình làm việc, tháp giếng chịu tác động thể làm chủ công nghệ, thiết bị gia công để chế nhiều lực sinh hoạt động thiết bị tạo Tuy nhiên một số bộ phận chin ́ h hệ thống khác thùng trục, cấp dỡ tải…, đồng thời KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ 39 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Bảng 2- Thông số hệ thống trục tải giếng đứng Việt Nam Địa điểm Mỏ Mông Dương Mỏ Hà Lầm Mỏ Núi Béo Thiết bị trục tải Giếng chính: Nga Giếng phụ: Nga Giếng chính: Trung Quốc Giếng phụ: Trung Quốc Giếng chính: Đức Giếng phụ: Đức chịu tác động từ bên ngồi gió, động đất… Về kết cấu, tháp giếng kết cấu kim loại lớn, chiều cao tháp giếng lên tới 50÷100 m; Khối lượng kết cấu tháp lên tới hàng trăm tấn, thuộc kết cấu kim loại lớn, siêu trường, siêu trọng Chính vậy, tháp giếng coi kết cấu có tính đặc thù, tính tốn thiết kế phải thỏa mãn quy định tính tốn thiết kế kết cấu đồng thời thỏa mãn quy định tính tốn thiết kế cơng trình Để thực hóa thiết kế, chế tạo tháp giếng hệ thống trục tải giếng đứng, cần triển khai nội dung sau: Xác định yêu cầu thiết kế kết cấu Tháp giếng kết cấu đặc trưng hệ thống trục tải mỏ thường kết cấu thép dạng khung giàn thép hộp, số yêu cầu thiết kế kết cấu tháp giếng như: 2.1 Yêu cầu kỹ thuật - Tháp giếng phải thỏa mãn yêu cầu chịu lực điều kiện sử dụng: Độ an toàn kết cấu phải đủ bền; Độ cứng vững, đủ sức chịu tải trọng sử dụng - Kết cấu phải đảm bảo độ bền lâu cơng trình Hình dạng cấu tạo kết cấu phải cho thuận tiện bảo dưỡng, kiểm tra sơn bảo vệ - Đảm bảo kiến trúc, kết cấu tháp có hình dạng hài hịa, thốt, phù hợp kiến trúc mặt cơng nghiệp mỏ - Đáp ứng thông số kỹ thuật yêu cầu hệ thống trục tải: Loại trục tải, kích thước trục tải, tải trọng nâng, loại hình vị trí xây dựng… 2.2 Yêu cầu kinh tế Ngoài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hệ thống trục tải, kết cấu tháp giếng đòi hỏi yêu cầu kinh tế, thể hiện: - Tiết kiệm vật liệu: Thép cần sử dụng cách hợp lý Chọn giải pháp kết cấu hợp lý, 40 Độ sâu; m 145 103 415 395 385 415 Thông số kỹ thuật Công Vận tốc, suất; kW m/s 400 10 320 1600 7,7 1000 1800 10 1300 - Tải trọng nâng, T 10 15 16 20 15 21 dùng thép cường độ cao, phương pháp tính tốn tiên tiến - Đảm bảo tính công nghệ chế tạo: Kết cấu thiết kế phù hợp với việc chế tạo sản xuất việc sử dụng thiết bị chuyên dùng có, giảm cơng chế tạo - Lắp ráp nhanh: Kết cấu lắp ráp nhanh chóng với thiết bị có sẵn; Liên kết lắp dựng dễ dàng thuận tiện Để đạt yêu cầu cần tiêu chuẩn hóa chế tạo kết cấu tháp giếng (Tiêu chuẩn hóa cấu kiện, mối nối, lắp ghép ) Các bước thiết kế kết cấu tháp giếng 3.1 Xác định kích thước hình học tháp giếng Tháp giếng có nhiệm vụ để đỡ puly phục vụ trình trục tải Xác định kích thước tháp giếng bước quan trọng để xác định kiến trúc, kết cấu hình dạng sơ đồ bố trí thiết bị tháp giếng Hình mơ tả sơ đồ kiến trúc kết cấu tháp giếng Căn yêu cầu kỹ thuật - cơng nghệ, đặc tính, bố trí thiết bị tính tốn xác định kích thước hình học làm sở tính tốn thiết kế tháp giếng KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ Hình 3- Sơ đồ bố trí puly tháp giếng THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Từ sơ đồ xác định vị trí đặt puly mức sàn theo cơng thức: Hk = H1 + H3 H1= 0,5.D1 + 0,5.D2 + a + x1 H3 = H2 + Ho H2 = Hn + Hp + Hq + 0,75R; H0 = 0,5.D3 + 0,5.D2 + a + xo Hk- chiều cao sàn đỡ puly tháp giếng; Hn- chiều cao bunke nhận than (sàn thao tác); Hp- chiều cao thùng cũi; Hq- chiều cao trục đà, xác định: - Khi vận tốc thùng trục v< 3m/s, Hq ≥ m; - Khi vận tốc thùng trục v≥ 3m/s, Hq ≥ m; R- Bán kính puly sàn cùng, (R= D3/2); a- kích thước vịng bảo vệ puly (0,5 m); x0, x1- hệ số kể đến kết cấu khí đỡ puly (2 m) 3.2 Lựa chọn vật liệu Thép sử dụng chế tạo tháp giếng loại thép thông dụng, độ bền cao, phù hợp với tải trọng yêu cầu Cấu kiện dầm, cột sử dụng thép C3453 SM490/Q345B…; Một số liên kết thông thường thép tấm, thép hình I, H sử dụng thép C245 SS400/Q235B; C255 SM400A 3.3 Tính tốn, xác định tải trọng tác động lên kết cấu Vì tính chất đặc thù kết cấu tháp giếng, nhiều nước đưa tiêu chuẩn liên quan đến thiết kế tháp giếng như: Đức, Úc, Trung Quốc.… Cũng vậy, có nhiều phần mềm, áp dụng chung để tính tốn thiết kế kết cấu cơng trình, tính đến đặc thù tính tốn thiết kế tháp giếng, Liên bang Nga, người ta xây dựng phầm mềm “Копер” (tháp giếng) chun áp dụng để tính tốn tháp giếng Tuy vậy, nay, nhiều nước, tính tốn tháp giếng sử dụng phần mềm tính tốn kết cấu cơng trình thơng dụng SCAD (LB Nga), Struc CAD, SAP 2000… Tuy nhiên, trước đưa số liệu lực tác động vào phần mềm, phải phân tích, phân loại, tính tốn lực này, đưa vào tổ hợp tải trọng cho phù hợp với quy định tính tốn thiết kế cơng trình hành nước [3,6] Trong quy định đó, tiêu chuẩn tải trọng tác động tiêu chuẩn cần quan tâm Để tính tốn an tồn cho kế kết cấu tháp giếng, vấn đề quan trọng xác định đầy đủ, xác tải trọng tác động lên tháp giếng tổ hợp tải trọng Theo tiêu chuẩn tải trọng tác động TCVN 2737:1995 СНиП 2.01.07-85 (Nga) Hình 4- Phân loại tải trọng quy định việc phân loại tải trọng cụ thể vào loại tương ứng (hình 4) Trên sở xem xét tiêu chuẩn, tháp giếng, vào phân loại tải trọng, có tải trọng sau tác động lên tháp giếng: a) Tải trọng thường xuyên: WDL: Đó tự trọng thân kết cấu tải trọng loại thiết bị lắp đặt cố định tháp, gồm tải như: - Tự trọng thân (WD): Khối lượng thân cấu kiện tạo thành tháp giếng cấu kiện bắt cố định như: Mái đỡ, sàn thao tác, lan can, vách ngăn - Tải trọng dẫn hướng cáp (Wcg): Khối lượng cáp dẫn hướng thiết bị liên kết kèm theo trục tải giếng đứng dẫn hướng cáp - Tải trọng thiết bị cố đinh (Wpme): Khối lượng thiết bị lắp đặt tĩnh tháp giếng bao gồm: Trọng lượng thân puly, trọng lượng thiết bị cố định lắp đặt: Gối đỡ, đệm, bulông, chi tiết liên kết - Tải trọng khác (Wag): Tĩnh tải tác dụng bao gồm lực kéo căng, lực giữ dây giữ, neo tháp giếng có Tùy theo dạng tĩnh tải mà hệ số vượt tải tải trọng khác giá trị lấy theo TCVN 2737:1995 b) Tải trọng tạm thời: Tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn, đặc biệt) tác dụng bao gồm: Hoạt tải tác động lên mái, sàn thao tác; Tải trọng làm việc; Tải trọng gió; Tải trọng động đất loại tải trọng cố phát sinh q trình vận hành Cụ thể tải trọng sau: * Hoạt tải lên mái, sàn (WL): Hoạt tải trọng lượng người lại trình lắp dựng, sửa chữa; đồ vật, vật liệu, thiết bị đặt tạm thời dài hạn lên sàn * Tải trọng công tác (WWK): KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ 41 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Đây tải trọng tính tốn độ bền kết cấu tháp giếng Tải phát sinh trình vận chuyển khống sản, vật tư, vật liệu q trình hoạt động hệ trục tải Tải cơng tác từ cáp nâng tác động đến puly dẫn hướng tác động qua lại tháp giếng qua gối đỡ Tải trọng từ cáp tính tốn trường hợp bất lợi mang tải Tải trọng tính toán sau: Tải trọng từ puly tác động đến tháp giếng phân thành lực ngang, lực đứng tác dụng lên gối đỡ η- Hệ số vượt tải tải trọng; γ- Hệ số tính tốn ổn định tháp, lấy theo tiêu chuẩn AS3785.5-2006; Ti- Lực kéo căng cáp thực tế đầu puly dẫn hướng Ti = Q S + QU + Q K QS- Trọng lượng thân thiết bị: Là toàn trọng lượng thiết bị lắp đặt đầu cáp nâng (khối lượng thùng trục, cấu treo ) QU- Tải trọng nâng: Là trọng lượng khoáng sản, vật tư, thiết bị, người vận chuyển, tính cho trường hợp gây bất lợi lực QK- Trọng lượng cáp: Trọng lượng cáp bao gồm cáp nâng cáp cân Để tính tốn an tồn cần xác định trường hợp bất lợi để xác định lực kéo căng cáp lớn Hai trường hợp bất lợi mơ tả hình * Tải trọng gió (Ww): Tải trọng gió tính theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995 * Tải trọng động đất (WEQ): Tải trọng động đất: Tải trọng động đất lấy theo TCVN 357-2006 * Tải trọng nhiệt (Wtemp): Là tải trọng chênh lệch nhiệt độ giữa phần của kết cấu gây biến dạng cưỡng mối liên kết Khi chênh lệch nhiệt độ mùa lớn tác động nhiệt gây ảnh hưởng lớn đến độ biến dạng kết cấu * Tải trọng cố (Wem): Tải trọng cố tải trọng sinh hệ thống trục tải gặp cố Tải cố tính tốn gây bất lợi cho cơng trình bao gồm: Tải trọng đứt cáp, tải trọng cố nâng thùng trục - Tải trọng cố đứt cáp: Tải trọng đứt cáp 42 a) b) Hình 5- Sơ đồ lực kéo căng cáp hệ thống trục tải a Thùng trục có tải vị trí - thùng trục khơng tải vị trí cùng; b Thùng trục có tải vị trí - thùng trục khơng tải vị trí giả thiết tải trọng gây làm đứt cáp nâng, (tham khảo theo tiêu chuẩn AS3785.5-2006) Việc tính tốn xác định trường hợp cụ thể như: Trường hợp cáp đơn tải trọng đứt cáp tải làm đứt cáp Trong trường hợp nhiều cáp tải trọng đứt cáp tải trọng làm đứt đồng thời cáp, tải tính tốn tổng tải đứt cáp cáp đơn - Tải trọng cố nâng thùng trục: Tải trọng cố q nâng thùng trục tính tốn theo tiêu chuẩn DIN 4118 Theo tải trọng tính tốn lần tải trọng tĩnh trọng lượng thiết bị đặt hệ thống c) Tổ hợp tải trọng tác dụng: Các tải trọng tác dụng lên tháp giếng đồng thời khơng đồng thời tùy theo trạng thái tải trọng Trong tiêu chuẩn: TCVN 2737:1995 đưa quy định lập tổ hợp tải trọng để phục vụ tính tốn độ bền kết cấu cơng trình Áp dụng quy định này, tháp giếng tổ hợp sau: Tổ hợp (THCB) tổ hợp đặc biệt (THĐB) Tổ hợp gồm: Tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn ngắn hạn Tổ hợp đặc biệt gồm: Tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, tải trọng tạm thời ngắn hạn xảy tải trọng đặc biệt Như lập tổ hợp tải trọng, dựa phân loại tải trọng tác động lên tháp giếng nêu có KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Hình 6- Sơ đồ nguyên lý sử dụng phần mềm SAP tính tốn kết cấu thể dùng để tính tốn kết cấu tháp giếng đứng, tùy theo số lượng trường hợp tải khác mà có trường hợp tổ hợp khác 3.4 Tính tốn, kiểm tra kết cấu tháp giếng Đối với cơng tác thiết kế khí, sử dụng nhiều phần mềm, phổ biến AutoCAD, ngồi cịn có phần mềm khác như: Solidword, Inventer, Cosmosdesign, NX 8.5, Hyperwork Trong tính tốn thiết kế kết cấu có phần mềm: SCAD, ETAB, STAAD Pro, STRAP, STruCAD, SAP, Graintec Trong số phần mềm trên, phần mềm SAP thơng dụng mạnh tính tốn kết cấu phần mềm Graintec mạnh tính toán thiết kế liên kết kết cấu Có thể sử dụng phối hợp hai phần mềm hỗ trợ tính tốn Hình 7- Mơ hình kết cấu tháp giếng mỏ than để đảm bảo chất lượng sản phẩm Núi Béo Để tính tốn kết cấu tháp giếng ta xây dựng mô chịu uốn, chịu cắt), độ ổn định (cục bộ, tổng thể) hình kết cấu tháp giếng phần mềm SAP2000 thành phần, độ chuyển vị chi tiết, Đặt lực tác dụng theo tính tốn lên mơ hình phận kết cấu tháp giếng với tổ hợp lực gây theo vị trí thực tế tác dụng tiến hành phân tích, bất lợi cho cơng trình Các chi tiết kết cấu tính tốn nội lực phần tử kết cấu Sơ đồ kiểm tra là: nguyên lý sử dụng phần mềm SAP để tính tốn + Cột đỡ, chân chống kết cấu theo bước mô tả hình mơ + Hệ dầm đỡ, giằng hình thu thể hình + Sàn đỡ puly, sàn bảo vệ nâng Từ kết phân tích kết cấu phần mềm, + Tính tốn mối liên kết tiến hành tính tốn kiểm nghiệm độ bền (khả Trên sở tính tốn kích thước, lựa chọn vật KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ 43 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ liệu tính tốn kết cấu tiến hành xây dựng kiến trúc, kết cấu cụ thể tháp đảm bảo cơng năng, mỹ quan cơng trình Kết luận kiến nghị - Tháp giếng đứng kết cấu đặc thù, tính tốn thiết kế phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật, đồng thời phải thỏa mãn quy định tính tốn thiết kế cơng trình - Xây dựng hướng dẫn thiết kế chế tạo tháp giếng sở để tiến tới nội địa hóa thiết kế, chế tạo thiết bị nước, đáp ứng nhu cầu phát triển ngành khai khống ngành khí nhằm nâng cao tỷ lệ nội địa hóa thiết bị trục tải nước Tài liệu tham khảo: [1]- Trần Dỗn Trường Trục tải mỏ Nhà xuất Giao thơng vận tải Hà Nội-2000 [2]- QCVN 02:2016/BCT Kỹ thuật quốc gia An toàn tời trục mỏ [3]- TCVN 2737:1995 Tải trọng tác độngTiêu chuẩn thiết kế [4]СНиП 2.07.07-85 Нагрузки и воздействия [5]- DIN 4118 Head frames and winding towers for rnines-Design loads, calculation principles and design prirrciples [6]- AS3785.5-2006 Underground miningShaft equipment- Part 5: Headframe [7]- GB 50385-2006-Code for design of the mine headframes Calculation and design of the shaft tower in the vertical shaft system MSc Vu Dinh Manh, MSc Doan Ngoc Canh - Vinacomin-Institute of Mining Science and Technology Abstract: In the world, the underground coal mining by vertical shaft technology has been widely applied, accounting for a significant proportion of the total coal production In Vietnam, with the demand for coal production increasing by an average of 16% per year, with the deeper and deeper mining condition, the solution of using vertical shaft technology is being applied more and more by the mines With the increasing demand for vertical shaft equipment in domestic, the research on and calculation and design of the shaft winding system has practical significance in order to promote the development and perfect products, thereby promoting the manufacture and use the current domestic vertical shaft winding system equipment 44 KHCNM SỐ 2/2022 * MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ ... thiết kế, chế tạo tháp giếng hệ thống trục tải giếng đứng, cần triển khai nội dung sau: Xác định yêu cầu thiết kế kết cấu Tháp giếng kết cấu đặc trưng hệ thống trục tải mỏ thường kết cấu thép dạng... vậy, tháp giếng coi kết cấu có tính đặc thù, tính tốn thiết kế phải thỏa mãn quy định tính tốn thiết kế kết cấu đồng thời thỏa mãn quy định tính tốn thiết kế cơng trình Để thực hóa thiết kế, chế... yêu cầu hệ thống trục tải: Loại trục tải, kích thước trục tải, tải trọng nâng, loại hình vị trí xây dựng… 2.2 Yêu cầu kinh tế Ngoài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hệ thống trục tải, kết cấu tháp giếng