Bài giảng những công nghệ tiên tiến trong khai thác mỏ lộ thiên (dùng cho trình độ thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH BÀI GIẢNG NHỮNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN TRONG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN (DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ) Quảng Ninh, 2018 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH BÀI GIẢNG NHỮNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN TRONG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN (DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ) Quảng Ninh, năm 2018 MỞ ĐẦU Trong công Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá nước ta nay, ngành khai khống có vị trí đặc biệt quan trọng Ngồi dầu thơ khí tự nhiên, khống sản rắn nhu cầu khơng thể thiếu cho phát triển ngành công nghiệp khác kinh tế quốc dân Mức độ tăng trưởng bình quân hàng năm ngành mỏ khoảng 2530% Trong đó, ngành khai thác lộ thiên (KTLT) đã, giữ vai trò quan trọng tổng sản lượng khoáng sản rắn khai thác được, cụ thể chiếm 100% loại vật liệu xây dựng (VLXD), quặng, phi quặng nguyên liệu hoá chất, 60-65% than Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu kinh tế quốc dân giai đoạn 2007-2015 tương lai ngành KTLT cịn phải đối mặt với khơng thách thức điều kiện khai thác ngày khó khăn, tài nguyên ngày cạn kiệt, vấn đề tận thu tối đa tài ngun lịng đất, bảo vệ mơi trường phát triển bền vững ngày chặt chẽ nghiêm ngặt hơn, Điều kiện địa chất Việt Nam phức tạp tạo nên nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú, đa dạng manh mún Theo thống kê, lãnh thổ Việt Nam phát 50 số 66 loại khoáng sản phổ biến vỏ trái đất với khoảng 5000 mỏ điểm quặng, chia thành nhóm nguyên liệu khoáng theo mức độ triển vọng sau: - Triển vọng khá: VLXD, than, apatít, bauxít, titan, đất hiếm, ; - Triển vọng: vàng, chì - kẽm, thiếc, vonfram, sắt, đồng, antiman, Auorít, cát thuỷ tinh, ; - Triển vọng hơn: cao lanh, graphít, mangan, barít, niken, fenspat điatomit, bentơnít, Thực tế, loại khống sản có phân bố rời rạc, không tập trung tập trung với trữ lượng lớn, tạo nên nhiều loại hình mỏ KTLT với quy mơ đặc điểm khác Về than, có khoảng 29 mỏ điểm KTLT với sản lượng đóng góp năm 2006 22,1 triệu 34,5 triệu tồn ngành chiếm 64,1% Trong số có mỏ lớn khu vực Quảng Ninh với sản lượng năm 2,0 triệu tấn, khai thác quy mơ với trang thiết bị tương đối đại, mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn (Cẩm Phả), Hà Tu, Núi Béo (Hòn Gai), lại mỏ vừa nhỏ điêm khai thác lộ vỉa có sản lượng nhỏ 500 ngàn tấn/năm Về quặng, có hàng trăm điểm khai thác quặng lộ thiên, mỏ khai thác quặng Apatít Cam Đường - Lào Cai (trữ lượng 2,5 tỷ tấn); quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên, Ngườm Cháng - Cao Bằng; mỏ quặng chì kẽm - Chợ Đồn Bắc Kạn, Lay Hít - Thái Nguyên số mỏ khác thuộc tỉnh Tuyên Quang, Hà Giang, n Bái, Thanh Hố, quặng đồng có mỏ lớn, điển mỏ đồng Sin Quyền - Lào Cai (có trữ lượng 50 triệu tấn), mỏ đồng- niken Bản Phúc - Sơn La; quặng Crơmít điển hình có cổ Định - Thanh Hố số mỏ khác Mỹ Cái, Hoà Yên, quặng bauxit có tỉnh Kontum, Đắc Lắc, Lâm Đồng, Bình Dương, Hà Giang, Cao Bằng nhiều tập trung Tây Nguyên (trong báo cáo NCKT tổ hợp bauxít nhơm Lâm Đồng phê duyệt năm 2000), giai đoạn đầu khai thác khu vực mỏ Tân Rai với công suất triệu t/năm); ngồi ra, cịn có hàng chục mỏ sa khống ven biển inmenít (titan), zircon, rutin, mơganít, mơnazit, Bàu Dịi, Chùm Giăng - Bình Thuận, Na Hoe, Cây Trâm - Thái Nguyên rải rác tỉnh Quảng Ninh, Thanh Hố, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Bình Định, Phú Yên, Vũng Tàu, Tuy nhiên, đa phần mỏ quặng khai thác với quy mô nhỏ, thiết bị tương đối lạc hậu chưa đồng Mặc dù mỏ Apatít Lào Cai mỏ KTLT tưong đối có quy củ khai thác quặng đồng thiết bị khiêm tốn, bao gồm máy khoan đập BMK-4M, CBБ-2M, CБY-100T (LB Nga); MXTG ЭKГ-5A, Э-2503, Э-1001 (LB Nga); máy xúc thuỷ lực (MXTL) PC-450, PC-600 (Komatsu - Nhật Bản); ô tô KpAZ, KAMAZ, BenLAZ-540A (LB Nga); máy ủi T-130 C-300 (LB Nga) Tại số mỏ sa khống (đã kết thúc) có thiết bị, sử dụng chủ yếu súng bắn nước hệ thống bơm hút đặt bè di động kết hợp với thủ cơng Nhìn chung mỏ khai thác quặng sử dụng thiết bị có công suất nhỏ, lạc hậu, không đồng dẫn đến thực tế chưa đáp ứng sản lượng yêu cầu, gây tổn thất tài nguyên ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái, đặc biệt mỏ sa khống Theo thống kê, tồn quốc có khoảng 600 khu vực khai thác VLXD loại với sản lượng 30 triệu m3 đá hàng trăm triệu m3 cát sỏi năm, tập trung phần lớn tỉnh phía Bắc rải rác tỉnh phía Nam Các mỏ khai thác VLXD khác quy mô, công nghệ khai thác, thiết bị sử dụng, Xét góc độ cơng nghiệp quy mơ khai thác, chia mỏ VLXD nước ta thành hai nhóm nhóm mỏ áp dụng công nghệ khai thác giới theo lớp lớp xiên, vận tải trực tiếp xúc chuyển nhóm mỏ áp dụng cơng nghệ khai thác bán giới thủ công, khai thác theo lớp xiên, cắt tầng nhỏ lớp xiên khấu theo kiểu tự Nếu mỏ áp dụng cơng nghệ khai thác nhóm sử dụng thiết bị tương đối đồng máy khoan đập - xoay khí nén, thuỷ lực Nhật Bản, Thụy Điển, Phần Lan, Mỹ, có đường kính 75-175 mm, máy khoan xoay cầu có đường kính tới 250 mm Nga; MXTL máy bốc có E = l-5 m3 hãng Komatsu, Hitachi, Samsung, Huyndai, Caterpillar, mỏ thuộc nhóm chủ yếu dùng thiết bị nhỏ, lạc hậu máy khoan cầm tay có đường kính 32-46 mm; máy xúc điện MXTL có E=0,5-1,0 m3; tơ có tải trọng 5-10 tấn, đơi chỗ cịn dùng tơ “cơng nơng“; thiết bị nghiền sàng có cơng suất nhỏ chủ yếu Trung Quốc Một số lượng lớn mỏ thuộc nhóm (khoảng 90%) khai thác tình trạng có nguy cao an toàn lao động cho người thiết bị ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái cảnh quan khu vực Với đà tăng trưởng trung bình kinh tế nước nhà (8% năm), dự báo nhu cầu số khống sản vào năm 2010 đáp ứng cho phát triển ngành công nghiệp nước sau: than - 50 triệu tấn, sắt - 2,5 triệu tấn, bauxit - 20 triệu tấn, apatit - 1,5 triệu tấn, đá cho xi măng - 25 triệu m3, đá cho xây dựng - 30 triệu m3, Để thoả mãn nhu cầu tăng trưởng nói hoạt động khai thác lộ thiên năm tới phải đối mặt với thách thức lớn như: Tài nguyên ngày cạn kiệt, phần trữ lượng có chất lượng tốt, có điều kiện khai thác thuận lợi; sức ép tận thu tối đa tài nguyên , bảo vệ môi trường sinh thái cảnh quan thiên nhiên ngày gia tăng; xu hội nhập khu vực giới kéo theo leo thang giá dẫn đến làm tăng chi phí sản xuất làm giảm ưu cạnh tranh sản phẩm lợi giá công lao động thấp, Trước bối cảnh đó, giải pháp tối ưu để ngành KTLT tiếp tục phát triển giữ vị việc đáp ứng nhu cầu nguyên nhiên, vật liệu khoáng sản cho kinh tế quốc dân hoàn thiện đổi công nghệ - thiết bị, đầu tư phát triển theo chiều sâu nhằm tăng suất hoạt động hiệu sản xuất kinh doanh Về tổng thể, giải pháp là: Tăng chiều sâu khai thác lộ thiên để thu hồi tối đa trữ lượng cho phép, tiết kiệm tài nguyên tăng hiệu khai thác cách giảm tổn thất làm nghèo chất lượng khống sản q trình khai thác Lựa chọn công nghệ thiết bị hợp lý để đáp ứng nhu cầu nâng cao sản lượng mỏ lộ thiên Thay thiết bị hoạt động theo chu kỳ thiết bị hoạt động liên tục điều kiện áp dụng cho phép Mở rộng công suất thiết bị xúc bóc vận tải nhằm tăng hiệu tổ chức quản lý sử dụng chúng vận hành; đáp ứng yêu cầu gia tăng sản lượng quy mô sản xuất, giảm thiểu nguồn tiềm ẩn nguy gây cố kỹ thuật mơi trường Tuy nhiên, nhóm khống sản, đặc thù tự nhiên, công nghệ khai thác trạng sản xuất nhu cầu tiêu thụ, cần có đối sách trọng điểm khác Đối với than, chủ yếu tập trung vùng Quảng Ninh số nội địa (Thái Nguyên, Lạng Sơn, Quảng Nam) Đặc điểm bật hầu hết mỏ lộ thiên lớn khai thác mức thoát nước tự chảy, chiều cao bờ mỏ lớn, có đáy kết thúc sâu mức nước biển (từ mức -135m đến -350m) vỉa than cắm dốc có chiều dày nhỏ dần, điều kiện địa chất cơng trình địa chất thủy văn phức tạp, Để trì sản lượng 22-24 triệu tấn/năm từ 2006 - 2010 18-19 triệu tấn/năm tới 2020, ngành than lộ thiên phải giải vấn đề sau: Tiếp tục đầu tư bổ sung thiết bị đồng công suất lớn nhằm đáp ứng khối lượng đất bóc 200-250 triệu m3/năm tồn ngành Hệ số bóc mỏ lộ thiên năm tới tăng lên tới 10-14 m3/tấn, sản lượng đất đá mỏ lớn lên tới 30-35 triệu m3/năm Các mỏ nhỏ trung bình tăng theo tỷ lệ tương ứng Tăng cường lực xúc bóc (đồng nghĩa với tăng khả xuống sâu hàng năm) mỏ lộ thiên để giữ sản lượng nói điều kiện chiều dày vỉa xuống sâu mỏng dần Hồn thiện cơng nghệ vận tải cho mỏ sâu theo hướng: tăng tải trọng ô tô (tới giới hạn tối ưu?), sử dụng trục tải nâng ô tô, trục tải skip, dùng băng tải kết hợp trạm đập đá Giải vấn đề đổ thải: Khối lượng đất thải lại từ 2006 tới 2020 khoảng 4,61 tỷ m3, tận dụng hết bãi thải có khai trường kết thúc sớm để làm bãi thải chứa khoảng 45% khối lượng (trên tỷ m3) Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo ổn định bờ mỏ lộ thiên Có yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định bờ mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh là: Điều kiện địa chất khu vực phức tạp, đứt gẫy kiến tạo làm xuất nhiều mặt yếu tạo điều kiện cho thâm nhập, phá huỷ nước ngầm; Điều kiện địa chất thuỷ văn không thuận lợi (nhiều nước ngầm); Chiều cao bờ mỏ lớn (nếu kết thúc độ cao -350 m chiều cao bờ mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn lên tới 600-675 m) thời gian tồn bờ lâu Đây vấn đề quan trọng cần quan tâm thích đáng từ Tiếp tục hoàn thiện sử dụng đồng giải pháp tích cực nhằm hạn chế tối đa tác động tiêu cực khai thác lộ thiên tới môi trường cảnh quan khu vực, đặc biệt khâu thải đá thoát nước Cần vận hành tăng tốc độ khai thác mỏ Núi Béo để kết thúc sớm cách an toàn có hiệu đồng thời cần chuẩn bị kịp thời phương án hậu khai thác (đóng cửa mỏ phục hồi cảnh quan khu vực) cho mỏ Đối với quặng, đặc điểm khoáng sàng quặng nước ta có cấu trúc địa chất phức tạp, có nguồn gốc từ đủ loại hình sinh thành: mácma (phún xuất thâm nhập), trầm tích (nguyên sinh thứ sinh) biến chất Hầu hết khoáng sàng có trữ lượng nhỏ, phân bố phân tán manh mún Cá biệt, mỏ sắt Thạch Khê có trữ lượng lớn (trên 544 triệu tấn) điều kiện khai thác khó khăn (thân quặng nằm độ sâu từ -140m đến -750m, nằm sát mép nước biển, nước ngầm nhiều, đất yếu, ); mỏ Apatit Lao Cai có trữ lượng tỷ tấn, phần lớn quặng loại III IV có hàm lượng P205 thấp (dưới 17%) vỉa mỏng phân bố trải dài 200 km dọc bờ sông Hồng, điều kiện khai thác không thuận lợi, số loại quặng khác phân tán dạng sa khống ven biển sườn tích, bồi tích miền núi, với trữ lượng khiêm tốn, khơng có điều kiện để giới hố khai thác với quy mơ lớn Với thực trạng đó, thời gian tới, ngành khai thác quặng lộ thiên cần giải vấn đế sau: Đối với mỏ sắt Thạch Khê (nằm chương trình trọng điểm Nhà nước) cần nghiên cứu lựa chọn công nghệ - thiết bị khai thác phù hợp với điều kiện thực tế mỏ khai thác mức thoát nước tự chảy điều kiện nước ngầm lớn, lại nằm sát biển thấp mức nước biển đất yếu, có mối liên hệ nước ngầm với nước biển qua hang động carst lớp đá vây quanh Đặc biệt đề phịng nguy bục nước q trình khai thác, trượt lở bờ mỏ, sóng biển tràn vào mỏ mỏ bị ngập lụt có mưa to gió lớn Đối với mỏ quặng khác (bao gồm thân khoáng sản thành tạo từ quặng gốc sa khống ven biển) trữ lượng khơng lớn, phân bố rải rác vùng sâu, vùng xa, cần lựa chọn cơng nghệ thiết bị thích hợp với quy mô sản xuất điều kiện tự nhiên cụ thể, đặc biệt quan tâm tới vấn đề tổn thất tài nguyên ô nhiễm môi trường Cần có quy hoạch tổng thể cho việc khai thác sử dụng loại khoáng sản tầm quốc gia, bao gồm việc thăm dị chi tiết, đánh giá xác trữ lượng chúng Tránh tình trạng quản lý, khai thác sử dụng cách lộn xộn, thiếu quy củ, gây tổn thất tài nguyên làm suy giảm môi trường trầm trọng Về vật liệu xây dựng, tiềm khoáng sản VLXD nước ta dồi trữ lượng phong phú chủng loại, nhu cầu sử dụng lớn ngày tăng Đặc điểm loại khoáng sàng VLXD phân bố bề mặt địa hình thân chúng, số trường hợp, mang theo giá trị thẩm mỹ cảnh quan khu vực việc khai thác chúng phải cân nhắc lợi ích kinh tế từ giá trị sử dụng trực tiếp chúng từ hiệu hoạt động kinh doanh ngành “Cơng nghiệp khơng khói” mang lại Để đáp ứng nhu cầu 55 triệu m3 đá loại, 35 triệu m3 sét cho cơng nghiệp gạch ngói xi măng, 40 triệu m3 cát sỏi cho xây dựng vào năm 2010, trọng điểm mà ngành khai thác VLXD phải quan tâm là: Đối với với khai thác đá nói chung, cần tiến hành thăm dị bổ sung để tận dụng phần tài nguyên nằm độ cao bề mặt địa hình để kéo dài tuổi thọ mỏ, hạn chế phá vỡ cảnh quan mở rộng phạm vi khai thác Với mỏ nhỏ, cần hoàn thiện cơng nghệ khai thác, đại hố giới hoá đồng thiết bị để nâng cao hiệu khai thác, giảm thiểu tối đa tai nạn lao động tiết kiệm tài nguyên Đối với mỏ sét, cần tiến hành quy hoạch tổng thể để “quản trị” tốt tài nguyên, nhằm sử dụng mục đích theo chất lượng khống sàng, ưu tiên dự trữ nguyên liệu tốt cho công nghiệp gốm sứ xi măng Cần có quy định cụ thể quản lý chặt chẽ việc khai thác cát sỏi lịng sơng, tránh làm sạt lở bờ sơng biến đổi dịng chảy sơng Tận dụng tối đa nguồn tài nguyên cạn, kể việc sử dụng công nghệ xay nghiền đá cát kết, cuội kết (sa thạch silic, cônglômêrat) để làm cát xây dựng Tóm lại, xu hội nhập kinh tế thị trường, để ngành KTLT tiếp tục phát triển bền vững đáp ứng nhu cầu ngày tăng nguyên, nhiên, vật liệu khoáng sản cho kinh tế quốc dân, bên cạnh vấn đề hoàn thiện chế tổ chức quản lý từ trung ương tới sở sản xuất, vấn đề đổi công nghệ - thiết bị, tăng cường đầu tư chiều sâu (cả phương tiện, trang thiết bị lẫn người) nhằm bước hạ thấp giá thành, tăng suất lao động, mở rộng trì sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm, vấn đề cốt lõi Mặt khác cần nhận thức đầy đủ - tài nguyên khoáng sản loại tài nguyên không tái tạo được, trữ lượng số loại dù có dồi hữu hạn, nên việc khai thác sử dụng hợp lý tiết kiệm chúng trách nhiệm người hệ mai sau Một yêu cầu vấn đề thời có tính bách, yêu cầu bảo vệ môi trường KTLT Hoạt động KTLT chiếm dụng diện tích lớn đất đai để mở khai trường, làm bãi thải xây dựng cơng trình phụ trợ hàng năm thải vào môi trường hàng trăm triệu m3 đất đá thải, gây tác hại nghiêm trọng tới môi trường Do việc áp dụng giải pháp khoa học công nghệ nhằm ngăn chặn, hạn chế khắc phục tác động tiêu cực KTLT môi trường tiêu chí để ngành KTLT hội nhập vào sản xuất đại, ngày hơn, thân thiện với môi trường Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết kinh tế với công nghệ khai thác lộ thiên Công nghệ khai thác lộ thiên phải nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn công nghệ khai thác tiên tiến Do đó, nội dung kiến thức “những cơng nghệ tiên tiến khai thác mỏ lộ thiên” nhằm giới thiệu với bạn đọc cơng nghệ Tài liệu dành cho chương trình đào tạo thạc sĩ trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật ngành mỏ Trong q trình biên soạn khơng thể tránh thiếu sót, mong bạn đọc góp ý bổ sung để tài liệu ngày hoàn thiện, đáp ứng yêu cầu học liệu chất lượng đào tạo, xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI HĨA TRÊN MỎ LỘ THIÊN 1.1 Sơ đồ cơng nghệ khai thác than Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên đa dạng, tuỳ theo loại khoáng sản, phương pháp mở vỉa, hệ thống khai thác đồng thiết bị sử dụng, Thông thường, sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên không bao gồm khâu tuyển khống mà có khâu gia cơng chế biến sơ mỏ sàng tuyển sơ bộ, nghiền đập, phân loại, Sơ đồ tổng quát công nghệ khai thác lộ thiên giới thiệu hình 1.1 Tùy theo điều kiện tự nhiên kỹ thuật cụ thể mà mỏ có sơ đồ riêng mình, vậy, tất sơ đồ tuân thủ theo nguyên lý sơ đồ hình Khi khai thác khống sản rắn, có đất đá phủ cứng, q trình sản xuất dây chuyền cơng nghệ tn thủ gần sơ đồ hình 1.1 Khi khai thác khoáng sản dạng sa khoáng aluvi, đêluvi, êluvi, khâu bóc đất đá phủ khoan nổ mìn, nghiền đập khơng có dây chuyền cơng nghệ Khi khai thác than khâu thu hồi khống sản khơng có cơng đoạn khoan nổ mìn, khâu gia cơng chế biến mỏ khơng có cơng đoạn nghiền đập Khi khai thác đá xây dựng dạng núi cao khâu mở vỉa khống sàng thay cơng đoạn bóc phần đất đá phủ bạt ngọn, xén chân tuyến: khâu có nước mỏ (bằng tự chảy) mà không cần tháo khô; Khơng có khâu bóc đất phủ (có thải đá công đoạn loại bỏ tạp chất không đáng kể) Tuy nhiên khâu gia công chế biến mỏ phức tạp phải nghiền đập sàng phân loại nhiều cấp để thu cỡ hạt ý Khi khai thác sét cơng đoạn khoan nổ, nghiền đập không xuất dây truyền cơng nghệ (có thể có khâu đánh tơi phối liệu đế làm nguyên liệu xi măng) Cần ý, số tài liệu thường nhầm lẫn khâu công nghệ thời kỳ xây dựng mỏ sang thời kỳ khai thác (hoạt động sản xuất bình thường) với thịi kỳ kết thúc đóng cửa mỏ, chúng có mối quan hệ hữu với chất công việc, tổ chức thực hạch tốn kinh tế khác Trong sơ đồ cơng nghệ khai thác quặng, có trường hợp khâu gia cơng chế biến mỏ có sàng phân loại rửa sơ trước chở nhà máy tuyển tinh khơng có khâu nghiền đập, đất đá phủ có trường hợp xúc bóc trực tiếp mà không cần khoan nổ, tương tự quặng Trong khai thác than lộ thiên, phận lớn than nguyên khai tiêu thụ trực tiếp mà không cần qua chế biến Phần cịn lại phải qua chế biến loại bỏ tạp chất (hầu hết nhặt thủ công băng tải) sau qua sàng để phân loại loại than theo yêu cầu chất lượng thương phẩm Một số trường hợp khơng nhiều có cơng đoạn nghiền đập pha trộn để tận dụng loại than có độ tro lớn nhiệt lượng thấp GIAI ĐOẠN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CÁC KHÂU SẢN XUẤT Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động tổng quát dự án khai thác mỏ lộ thiên Đá xây dựng miền Nam, Bắc nước ta có đặc điểm khác Trong miền Bắc có tiềm đá vơi lớn khu vực miền Nam chủ yếu có số loại đá trầm tích có cường độ chịu lực lớn số không nhiều đá mắc ma; cơng nghệ khai thác chúng khác 10 Đối với mỏ đá vôi miền Bắc, có cấu tạo dạng núi cao nên sơ đồ cơng nghệ hình 1.1 khơng có (hoặc khơng đáng kể) khâu tháo khơ nước mỏ bóc đất phủ; khâu thải tạp chất sau sàng đập phân loại có tồn tại, khơng nhiều Đối với mỏ đá xây dựng miền Nam đặc biệt khu Đồng Nai, Bình Dương, phần lớn nằm sâu lớp đất phủ Đệ tứ, khác với mỏ phía Bắc, cơng nghệ khai thác có thêm khâu tháo khơ nước mỏ bóc đất phủ Đặc điểm cơng nghệ khai thác đá xây dựng khâu gia công chế biến chủ yếu nằm mỏ thuộc mỏ quản lý, khâu thường có nhiều cơng đoạn so với mỏ quặng than, thông thường phải sử dụng quy trình sàng đập hay giai đoạn Trong khai thác sét có trường hợp đất sét có kết cấu rắn chắc, khơng thể xúc trực tiếp, người ta thường sử dụng máy xới để làm tơi sơ trước xúc Khi khai thác titan ven biển cơng nghệ khai thác tương đối đơn giản, nhiên khâu sàng tuyển (gia công chế biến) lại chiếm khối lượng công việc lớn dây truyền công nghệ Khâu sàng tuyển nhằm mục đích loại bỏ rác rưởi (thường sàng quay) sau tách cát khỏi hạt quặng titan hệ thống bơm cát máy tuyển thuỷ lực vít xoắn (Hình 1.2) Khâu gia cơng chế biến cần có nguồn nước dồi Đặc điểm khai thác lộ thiên thu hồi khoáng sản có ích lịng đất trực tiếp từ mặt đất, trước hết phải bóc hết lớp đất đá phủ xung quanh thân quặng phía theo yêu cầu kỹ thuật Đất đá phủ thường có độ cứng lớn, trước bóc phải tiến hành đập vỡ tách chúng khỏi nguyên khối Khối lượng đất bóc thường lớn phải vận chuyển chúng bãi thải Quặng (khống sản có ích) thu hồi trực tiếp đưa kho thành phẩm qua chế biến Tuy nhiên để thực có hiệu khâu cần tiến hành song song kịp thời tháo khơ nước mỏ Tồn dây truyền cơng nghệ biểu thị hình 1.1, tương úng với khâu dây truyền sản xuất có nhiều phưong tiện hình thức khác để tiến hành giới hố Hình 1.2: Sơ đồ cơng nghệ khai thác Ti tan ven biển 11 1.2 Phương tiện giới hố khâu cơng nghệ 1.2.1 Cơ giới hố khâu chuẩn bị đất đá Ba khâu cơng nghệ dây truyền sản xuất mỏ lộ thiên chuẩn bị đất đá, xúc bốc vận tải Phương tiện kỹ thuật dùng cho khâu phong phú đa dạng, bao gồm thiết bị khoan, chất nổ phương tiện nổ, loại máy xúc thiết bị phụ trợ có chức tương tự, phương tiện vận tải , phương tiện thiết bị ngày hoàn thiện phát triển, đặc biệt vào nửa cuối kỷ XX Để giới hoá khâu chuẩn bị đất đá quặng cho xúc bóc dùng phương pháp giới (dùng máy xúc điều khiển sụt lở tự nhiên, dùng máy xới, máy ủi, máy nghiền đập - chất bốc), lượng chất nổ (máy khoan kết hợp với chất nổ phương tiện nổ), thuỷ lực (súng bắn nước, ống thẩm thấu), vật lý (âm điện, siêu âm), hoá học (chất trương nở), Về thiết bị khoan, có loại máy khoan xoay, máy khoan đập xoay, máy khoan xoay cầu, Trên mỏ lộ thiên có đất đá cứng chủ yếu dùng hai loại máy khoan đập xoay máy khoan xoay cầu Đối với máy khoan đập xoay, năm gần có cải tiến quan trọng thay đầu đập khí nén đập thuỷ lực đưa đầu đập xuống đáy lỗ khoan Việc thay đầu đập khí nén đầu đập thuỷ lực làm tăng áp lực khoan từ 0,5-0,7 MPa lên 25-30 MPa, nhờ tăng lượng lần đập pistông lên 500-1000 J, tăng tần số đập lên 3000-5000 lần/phút Việc đưa đầu đập xuống đáy lỗ khoan (đối với khoan có đường kính khoan 89-251 mm) tiến lớn công nghệ chế tạo máy khoan, làm tăng hiệu lượng đập pistông lên gương lỗ khoan 1,3-1,6 lần, khắc phục tượng chệch hướng lỗ khoan, giảm nguy kẹt mũi khoan, tốc độ khoan loại máy khoan đất đá cứng đạt tới 60 m/giờ Hình 1.3: Máy khoan thuỷ lực ROC F7 llãng Atlas - Copco 12 Đối với máv khoan xoay cầu, nhiều hãng máv mỏ lớn Ingersoll- Rand, Busirus-Erie, Tamrock, chế tạo máy khoan đường kính từ 160-380 mm, khoan sâu đến 55 m, có trang bị hệ thống tự động điều khiển chế độ khoan, hệ thống định vị toàn cầu GPS để xác định xác vị trí lỗ khoan Tốc độ khoan máy DM- 45/LP đạt tới 42 m/h đá granit Đường kính máy khoan cầu 120A hãng P&H lên tới 387 mm, chiều sáu khoan cần 9,8 m, Các hãng chế tạo máy khoan LB Nga Buzuluxki, Voronhetxki, cải tiến loại máy khoan CБЩ có theo hướng mở rộng đường kính lỗ khoan nâng cao chiều sâu khoan Máy khoan xoay cầu - nhiệt CБЩ - 250 MHP đưa vào sử dụng mỏ sắt lộ thiên vùng KMA để khoan đất đá cứng sâu tới 19 m mà nối cần, phần nạp thuốc mở rộng tới 400 mm mũi khoan nhiệt kèm theo Theo ý kiến chuyên gia mỏ LB Nga, tương lai phải chế tạo máy khoan xoay cầu có đường kính tới 450mm lớn phải đạt chiều sâu khoan 45-60 mm Về chất nổ, bên cạnh phát chế ANFO (1954) loại chất nổ dễ chế tạo, ngun liệu phong phú có sức cơng phá tốt, an toàn sản xuất, bảo quản sử dụng; giá rẻ (bằng 70% amơnít) đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường Năm 1960 nhà khoa học phát chế thành công chất nổ ngậm nước (Watergel) có tỷ trọng tới 1,25-1,26 sức công phá 320-330 cm3 để nổ môi trường ngậm nước Tuy nhiên loại chất nổ có nhược điểm đường kính tới hạn lớn (80 mm), tính ổn định hoá học đắt tiền Để khắc phục nhược điểm nhà khoa học Mỹ nghiên cứu thành công chất nổ nhũ tương (Emusion Explosivex-1978) với ưu điểm bật: tỷ trọng 1,25-1,30; sức cơng phá 330-340 cm3; có khả chịu nước tới 72 giờ; khơng gây nhiễm mơi trường; có đường kính tới hạn nhỏ (32 mm ), an tồn sản xuất, bảo quản sử dụng, đặc biệt từ chế tạo bong bóng thuỷ tinh (chất tăng nhậy nằm chất nổ nhũ tương) giá rẻ chất nổ ngậm nước Sự đời chất nổ nhũ tương đánh đột phá công nghiệp chế tạo chất nổ công nghiệp kỷ XX Hình 1.4 Xe nạp thuốc nổ nhũ tương chuẩn bị nạp mìn 13 Để khởi nổ lượng thuốc, năm 1970 Công ty Nitro-Nobel (Thụy Điển) chế tạo đưa thị trường hệ thống kích nổ vi sai phi điện thay cho phương tiện nổ truyền thống Sự kiện coi phát minh quan trọng cơng nghệ nổ mìn kỷ XX Sử dụng phương tiện nổ phi điện có độ tin cậy độ an toàn cao, cho phép thiết kế sơ đồ nổ vi sai linh hoạt với số lượng không hạn chế lượng thuốc, khơng chịu tác động dịng điện lạc sóng điện từ, đấu phép mạng nổ đơn giản, cho phép nổ vi sai lỗ khoan, hiệu phá vỡ đất đá cao, cỡ hạt đều, kích thước đống đá gọn, giảm hậu xung, giảm chi phí chất nổ Bên cạnh phương tiện nổ phi điện, đời kíp nổ điện tử có giá trị lớn khoa học, cho phép điều khiển vi sai tới tùng lỗ mìn với giãn cách thời gian (1-2 ms), giảm tới mức nhỏ lượng thuốc phát nổ thời điểm, giảm biên độ cực đại chấn động so với điều khiển kíp điện thường tới 77 % (kết đo cơng trình đường hầm Marin - Tây Ban Nha-7/2001) Hình 1.5 Minh họa mạng nổ mìn phi điện Áp lực địi hỏi khắt khe bảo vệ môi trường năm cuối kỷ XX thúc đẩy nhà khoa học tìm nhũng giải pháp phá vỡ đất đá mà khơng cần tới nổ mìn Chất phá đá NPV-7B, Dexpan, hệ thống phá đá CardoxTube, phá đá chất hoạt tính bề mặt, mở đầu cho cơng nghệ phá đá nhiệt độ thấp, không gây chấn động lớn, khơng bụi, khơng có đá bay, khơng xả khí độc vào môi trường Tuy nhiên giải pháp phá đá chưa thể thay cho phương pháp nổ mìn quy mơ lớn Bên cạnh phát triển công nghệ chế tạo máy tạo tiền đề để tiếp tục hoàn thiện đầu đập thuỷ lực, máy xúc có gàu tích cực, máy liên hợp phay cắt đá Ngày người ta chế tạo máy xới có trọng lượng 100-132 tấn, cơng suất 600-1100 Kw, xới sâu 1,6-1,8 m đất đá có tốc độ truyền âm 3000-3500 m/s (Bảng 1.1) Các máy xới có cơng suất trọng lượng phạm vi phải kể đến D-10N, D-11N hãng Caterpillar, D- 275A, D-375A, D-475A, D-575A hãng Komatsu, TT-300P-1-0,1; T-500P-1; T-50-01 Nga, Tờ World Mining Equipment tháng 2/2000 thông báo hãng Caterpillar vừa cho đời loại máy xới D-l 1R có trang bị hệ thống tự động điều khiển lưỡi gạt phận chuẩn đốn cố q trình xới 14 Hình 1.6 Máy xới D-11N hãng Caterpillar Bảng 1.1 Năng suất máy xới phụ thuộc vào Ve đất đá, m3/năm Loại máy Tốc độ truyền âm đất đá.m/s xới 1600 1800 2000 2200 D9R 1.600.000 1.000.000 800.000 650.000 D10R 2.200.000 1.400.000 1.100.000 750.000 D11R 2.270.000 1.500.000 1.170.000 850.000 Làm tơi đất đá máy xới khơng có ý nghĩa lớn mặt kinh tế (theo số liệu thống kê mỏ lộ thiên Mỹ giá thành làm tơi m3 đất đá máy xới 40 % so với sử dụng phương pháp khoan - nổ mìn) mà cịn có ý nghĩa lớn mặt mơi trường không gây chấn động mặt đất, chấn động không khí, khơng có đá văng, khơng xả khí độc hại vào khơng khí Chiếc búa thuỷ lực đời năm 1967 hãng Krupp-Berco Bautechnik CHLB Đức chế tạo Sau lần cải tiến năm 1985, 1995, 1998 năm 2000, búa thuỷ lực Eco Marathonra trang bị thêm phận chống rung, chống ồn bảo vệ an toàn để trở thành phương tiện phá đá có suất cao điều khiển đại Tới có nhiều hãng sản suất búa thuỷ lực để phá đá cỡ, cậy bẩy đá nguyên khối, mỏ lộ thiên Atlas Copco, Stanley, Rammer, Indeco, Socomec, IR Motabert, Hitachi, Furukawa, lực đập loại búa lớn (HM-4000 hãng Kurpp) tới 65-120 Năng suất đập búa HM2600 180-540 tấn/giờ HM- 4000 230- 680 tấn/h tuỳ theo độ cứng đá Với suất búa thuỷ lực thực thiết bị khai thác đá trực tiếp mà khơng cần khoan nổ mìn Búa thuỷ lực sử dụng nhiều mỏ lộ thiên giới với tư cách thiết bị phá đá chủ yếu đồng thiết bị sử dụng mỏ 1.2.2 Cơ giới hố khâu xúc bóc đất đá Khâu xúc bóc chất lên phương tiện vận tải dùng máy xúc (máy xúc nhiều gàu, máy xúc gàu, máy xúc tải, máy chất tải), máy khoan xoắn gàu thiết bị thuỷ lực (máy khuấy, máy bơm bùn, súng bắn nước, tàu cuốc) Phần lớn mỏ lộ thiên giới ngày sử dụng máy xúc dung tích gàu 15 10-15 m3 (Bảng 1.2) đồng với ôtô tải trọng 75-120 Ngav LB Nga theo số liệu 1991 tổng dung tích gầu 10 m3 chiếm có 18 %, cịn lại 82 % dung tích gàu từ 10-100 m3 Bảng l Đặc tính kỹ thuật số máy xúc tay gàu lớn Hãng, mã hiệu E, m3 Hdmax,m Rdmax,m Rxmax,m N,kW P, Busirus-Eric: 290-BII 16,72 8,86 17,22 14,15 1750 542 295-BII 22,8 8,91 17,6 14.86 2333 732,5 395-BII 32,68 9,6 20,42 16,15 2662 963 495-B 40,28 9.45 20,42 16,15 2662 1066.8 1960-AL 10,64 9,75 16,15 14,63 1228 378,7 2100-BL 13,68 9,65 17,53 14,43 1562 585,8 2100-BLE 15,20 9,65 17,53 14,73 2334 494,4 2300-XPA 20,52 9,91 18,7 15,39 3541 704 2800-XPA 34,96 10,46 19,5 16,36 4411 946,6 4100 42,56 10,04 20,02 16,94 4910 1077,3 5700-XP 53,20 13,26 25,48 20,73 4347 1768,5 151-M 7,6 6,78 13,26 10, 74 893,7 213.6 182-M 9,88 8,08 14,88 13,03 1509 330,7 191-M 12,92 8,66 16,46 14,86 2087 499.8 192-MII 15,20 8,66 16,46 14,86 2348 499.8 201-M 20,55 9,52 17,63 15,95 2610 664.5 204-M 25,84 13,31 16,76 15,24 2882 703 301-M 41,04 10,06 19,84 17,5 3428 P&H: Marion-Presser 043,2 Về máy xúc tay gầu kéo cáp, đáng kể cải tiến hãng máy mỏ P&H cấu trúc hình học máy, chương trình kỹ thuật số tự động điều khiển chế độ làm việc động cơ, hệ thống làm mát, hệ thống đối trọng, kiểm soát nhiệt độ độ rung máy, thiết bị điện tử bảo vệ cần xúc, cho loại máy xúc 4100-XPB dung tích gầu 52 m3 dẫn đến giảm 12% tải trọng phận dẫn động, momen quay tăng 30%, chu kỳ xúc góc quay 90° cịn 29s So với máy xúc dung tích gàu 4100-XPB có tốc độ làm việc cao 40% mỏ than Wioming (Mỹ) Máy xúc đạt kỷ lục suất bóc đất đá 26,7 triệu m3/năm 16 Hình 1.7 Minh họa MXTG 4100-XPB hãng P&H Tương tự máy xúc tay gàu kéo cáp, sau năm nghiên cứu thử nghiệm, năm 2001 hãng chế tạo máy mỏ P&H (Hannisíeger) cho đời máy xúc gàu treo 2570-WS chạy động dẫn động khí có trang bị hệ thống chuẩn đốn điện tử phát tín hiệu có cố hỏng hóc hệ thống điều khiển đại với dung tích gầu 120 m3, chiều dài cần tới 128 m Trọng lượng tổng cộng máy tới 7271 Hình 1.8 Máy xúc gầu treo 2570-WS hãng P&H Xu hướng chuyển đổi thiết bị xúc bóc vận tải có cấu cơng tác hoạt động theo chu kỳ sang thiết bị có cấu công tác hoạt động liên tục khẳng định, tính phổ cập chúng chưa cao mà hạn chế sử dụng số mỏ (các mỏ than nâu, vài mỏ sa khoáng ) vài phận sản xuất không chủ chốt (vận tải than mỏ, vận tải thành phẩm trạm gia cơng chế biến, ) xu hướng mở rộng công suất thiết bị xúc bóc tăng tải trọng thiết bị vận tải nhà chế tạo máy mỏ người sử dụng hưởng ứng ngày đông với yêu cầu ngày cao 17 Bên cạnh thiết bị xúc bóc trên, máy bốc (Wheel Loader) ngày sử dụng rộng rãi mỏ lộ thiên với chức thiết bị xúc bóc (Bảng 1.3), đặc biệt mỏ khai thác vật liệu xây dựng, mỏ có đất đá cứng đập vỡ tốt Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật số máy bốc hãng Komatsu Thông số WA 700 - VkA 800 - WA 900-3 WA 600-3 14 11,5 13 11 7,5 6,8 Lực xúc, KN 558 670 679 354 Trọng tải, kg 72200 100900 101500 30 28 28 49200 33,5 _ Dung tích gầu, m3 - Khi đầy có - Khi bình thường Vmax km/h Năm 2001 hãng Komatsu vừa xuất xưởng sêri WA-1200-3 để cung cấp cho Australia, Mỹ, Canada nước sau thử nghiệm 3600 hoạt động với hệ số sử dụng thời gian 97 % mỏ lộ thiên Graffin Coal mà làm việc tốt, máy có dung tích gầu 30 m3, áp lực cột nước 1.274 KN, trọng lượng 200 tấn, chạy bánh lốp, thời gian chu kỳ xúc 31s, có hệ thống điện tử để điều khiển hoạt động động cơ, báo hiệu tình trạng làm việc chi tiết máy điều khiển hệ thống thuỷ lực Hình 1.9 Máy chất tải CAT 900 tải trọng 66,2 tấn, dung tích gàu 8,9 m - Caterpillar Tuy nhiên kiện coi lớn làm thay đổi chất công nghệ khai thác lộ thiên cuối kỷ qua đời máy thuỷ lực (MXTL) Từ MXTL hãng Demag chế tạo đời 1954 tới nay, giới có nhiều hãng chế tạo MXTL Oenstein Koppel, Liebherr (Đức), Orient, Caterpillar (Mỹ), Ankerman, Volvo, Euclid (Thụy Điển), Polain (Pháp), Uran (Nga), Komatsu, Hitachi, Kobelco (Nhật), hãng Komatsu có tới 100 mã hiệu MXTL dung tích gàu từ 0,8-33 m3, hãng Caterpillar có 50 mã hiệu với dung tích gầu 0,18-27,5 m3, hãng Hitachi có 40 mã hiệu với dung tích gầu 0,11-25 m3 Bảng 1.4 giới thiệu máy xúc thuỷ lực lớn hãng chế tạo máy mỏ tiếng 18 Nhờ hệ thống pistông thuỷ lực mà gàu xúc với tay gàu, tay gàu với cần máy, cần máy với thân máy quay tương nhau, giúp cho tay gầu gàu xúc MXTL tạo nên quỹ đạo xúc bất kỳ, dẫn đến sử dụng lực xúc hợp lý, tiết kiệm lượng, giảm khối lượng máy, giảm mômen quán tính quay, rút ngắn thời gian chu kỳ xúc, xúc bóc chọn lọc dọn mặt tầng cách dễ dàng, Bảng 1.4 Những MXTL giữ kỷ lục Dung tích gầu, m3 Trọng lượng, 40 744 33 685 Tên MXTL H-740-OS (Demag) H655 s (Demag) Loại gầu Thuận Ngược R 996 (Liebherr) R 996 (Liebherr) RH 400 (Terex Mining) 34 33 52 653 653 900 Thuận Ngược Thuận 5230B (Caterpillar) 5230B ME (Caterpillar) 17 27,5 324 326 Thuận Ngược PC8000-1 (Komatsu) PC8000-6 (Komatsu) 38 38 720 720 Thuận Ngược EX5500 (Hitachi) EX5500 (Hitachi) 27 29 518 518 Thuận Ngược Bảng 1.5 Đặc tính kỹ thuật số MXTL gàu ngược cỡ lớn Komatsu TT Demag Các PC-1600tiêu PC-1600-1 SP-1 H285S E, m3 8,5 11 8-17,3 Hxmax, m 16,35 17,17 hxmax,m 13,74 Rxmax, m Caterpillar H445S H485 SP 5130 ME 5230 ME 25 33 10-13,6 15,5-24 16,1 18,4 19,2 9,1 9,7 9,36 8,8 10 8,4 9.7 20,3 16 17,9 20 21,6 Rxt, m 19,73 15,53 17 19,1 20,5 14.9 16.1 P,tấn 160 176 335 490 685 176,9 314.2 151,2 165,6 196,2 252.1 149,1 189.3 P0, KPa 234,5 Chú thích: E- dung tích gàu xúc; Hxmax- chiều cao xúc lớn nhất; hxmax - chiều sâu xúc lớn nhất; Rxmax- bán kính xúc lớn nhất; Rxt- bán kính xúc tầng máy đứng: P- trọng lượng máy;P0- áp lực lên 19 Xuất phát từ nguyên lý phá vỡ đất đá búa đập thuỷ lực, nhà máy chế tạo máy mỏ Uran (LB Nga) nghiên cứu thành công đưa vào thử nhiệm có hiệu máy xúc có gầu tích cực Người ta thay gầu cố định gầu hoạt động tích cực (theo nguyên lý búa chèn) với lượng lần đập gầu vào đất đá với KJ Hiện có nhiều mỏ lộ thiên khai thác vật liệu xây dựng phi quặng khác vùng ngoại ô Matxcơva, có đất đá với độ kiên cố f