1 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH ***** Đặng Văn Hải Vũ Mạnh Hùng; Tạ Văn Kiên GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CHUYÊN NGÀNH KHAI THÁC HẦM LÒ QUẢNG NINH 2013 2 MỤC LỤC B[.]
BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH - ***** - Đặng Văn Hải Vũ Mạnh Hùng; Tạ Văn Kiên GIÁO TRÌNH CƠNG NGHỆ KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CHUYÊN NGÀNH KHAI THÁC HẦM LÒ QUẢNG NINH - 2013 -1- MỤC LỤC BÀI MỞ ĐẦU 3 Khái niệm quy trình cơng nghệ khai thác than hầm lò Các giai đoạn phát triển cơng nghệ khai thác than hầm lị Hƣớng phát triển công nghệ khai thác than hầm lò Thực trạng hƣớng phát triển ngành than hầm lò Việt Nam CHƢƠNG 1: ÁP LỰC MỎ 1.1 Khái niệm chung áp lực mỏ .7 1.2 Giả thuyết áp lực mỏ vòm cân tự nhiên .20 1.3 Giả thuyết áp lực mỏ dầm công sơn .24 1.4 Giả thuyết áp lực mỏ lăng trụ trƣợt giáo sƣ P M Tsimbarevich 28 1.5 Giả thuyết áp lực mỏ nứt nẻ ban đầu Labass 29 1.6 áp lực tựa 30 CHƢƠNG 2: CHỐNG GIỮ TRONG LÒ CHỢ 31 2.1 Mục đích - u cầu phân loại chống lị chợ 31 2.2 Chống giữ lò chợ chống đơn 33 2.3 Vì chống khí hố 45 2.4 Thành lập hộ chiếu chống giữ lò chợ 55 CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐÁ VÁCH 62 3.1 Khái niệm Phân loại điều khiển đá vách 62 3.2 Điều khiển đá vách phá hoả toàn phần 64 3.3 Chèn lị tồn phần 71 3.4 Chèn lò phần phá hoả phần .80 3.5 Hạ vách từ từ 83 3.6 Giữ vách chồng cũi 84 CHƢƠNG 4: CÔNG NGHỆ KHAI THÁC BẰNG THỦ CÔNG KẾT HỢP VỚI KNM 86 4.1 Đại cƣơng công nghệ khai thác .86 4.2 Sơ đồ cơng nghệ dùng khoan nổ mìn vỉa dốc thoải nghiêng, mỏng dày trung bình 87 4.3 Thành lập biểu đồ tổ chức chu kỳ sản xuất lò chợ 93 4.4 Quy trình cơng nghệ sử lý cơng nghệ lò chợ .100 CHƢƠNG 5: CƠNG NGHỆ KHAI THÁC CƠ GIỚI HĨA 103 5.1 Lịch sử phát triển công nghệ khấu than 103 5.2 Công nghệ khai thác máy đánh rạch khoan nổ mìn 104 5.3 Công nghệ khai thác than máy Combai 108 5.4 Công nghệ khai thác máy bào 126 CHƢƠNG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC KHÁC 136 6.1 Cơng nghệ khai thác máy đào lị vận chuyển xe thoi buồng khấu 136 6.2 Công nghệ khấu than máy cƣa than lỗ khoan lớn 139 6.3 Công nghệ khấu than khoan đƣờng kính lớn 140 6.4 Công nghệ khai thác sức nƣớc 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 -2- BÀI MỞ ĐẦU Khái niệm quy trình cơng nghệ khai thác than hầm lị Quy trình cơng nghệ khai thác tập hợp nhiều khâu công tác, cần phải thực theo trình tự thời gian khơng gian định để lấy đƣợc khống sản có ích Quy trình cơng nghệ khai thác than hầm lị đƣợc hiểu theo nghĩa rộng theo nghĩa hẹp Theo nghĩa rộng, tập hợp trình mở vỉa chuẩn bị ruộng than, trình khấu than gƣơng khai thác, chống giữ, điều khiển áp lực mỏ, trình vận tải than lên mặt đất hàng loạt vấn đề khác nhƣ sàng tuyển than, thông gió mỏ, nƣớc, cung cấp vật liệu, máy móc thiết bị lƣợng, q trình cơng nghệ mặt công nghiệp v.v Theo nghĩa hẹp tập hợp cơng việc chuẩn bị khai thác lò chợ, cần đƣợc thực khu khai thác Trong phạm vi giáo trình này, chủ yếu xem xét vấn đề nghĩa hẹp nói Quy trình cơng nghệ khai thác than lị chợ đƣợc chia thành cơng tác cơng tác phụ Các cơng tác khâu tách than khỏi khối nguyên, phá vỡ than đến cỡ hạt cần thiết, xúc bốc vận tải than, chống giữ lò chợ điều khiển áp lực mỏ Các công tác phụ bao gồm việc di chuyển thiết bị vận tải theo tiến độ gƣơng lò chợ, cung cấp vật liệu, máy móc, thiết bị, lƣợng vào lị chợ, thơng gió, chống bụi, nƣớc, chiếu sáng, thơng tin liên lạc Nhƣ vậy, với dạng công nghệ khai thác than khác nhau, có tập hợp cơng tác phụ khác nhau, tức quy trình cơng nghệ khai thác than khác Cơng nghệ khai thác than hầm lị đƣợc chia thành bốn dạng là: cơng nghệ thủ cơng, cơng nghệ bán khí hố, cơng nghệ khí hố tồn cơng nghệ tự động hố Trong dạng công nghệ thủ công, hầu hết khâu công tác phải thực sức ngƣời; cịn cơng nghệ bán khí hố máy móc làm thay ngƣời số công tác ứng dụng cơng nghệ tự động hố, loại trừ có mặt thƣờng xun ngƣời lò chợ -3- Các giai đoạn phát triển công nghệ khai thác than hầm lị Để thấy rõ lịch sử phát triển cơng nghệ khai thác than hầm lò giới từ đầu kỷ XX đến nay, phải xem xét bƣớc phát triển công nghiệp than nƣớc sản xuất nhiều than có trình độ cơng nghiệp tiên tiến giới, nƣớc châu Âu, Bắc Mỹ, Úc, Trung Quốc Qua đó, thấy giai đoạn phát triển cơng nghệ khai thác than hầm lò nhƣ sau: Giai đoạn I - Từ đầu kỷ XX đến trƣớc đại chiến giới lần thứ hai: Trình độ khí hố sản xuất cịn mức thấp, nhiều khâu cơng nghệ phải thao tác thủ công, khâu chống lò điều khiển áp lực mỏ Trong giai đoạn có chế tạo cải tiến số loại máy đánh rạch, máy liên hợp khấu than đào lò , nhƣng lĩnh vực tự động hoá chƣa đƣợc áp dụng Giai đoạn II - Từ sau đại chiến giới lần thứ hai đến năm 1960: Tiếp tục nghiên cứu áp dụng khí hố q trình sản xuất, nhƣng việc khí hố chƣa đồng bộ, dừng khâu công tác riêng biệt Trong lĩnh vực tự động hố nghiên cứu thành cơng hệ thống điều khiển từ xa số thiết bị riêng lẻ, tự động hoá số thiết bị cố định Giai đoạn III - Từ 1960 đến 1980: Có thay đổi chất lƣợng khai thác than hầm lò Chế tạo thành công áp dụng rộng rãi nhiều loại tổ hợp thiết bị khí hố tồn việc khấu than, sản lƣợng chiều sâu khai thác mỏ than tăng lên rõ rệt Cơng nghệ đào lị đƣợc khí hố tồn làm tăng tốc độ đào lò Nhiều nơi áp dụng trục tải nhiều cáp giếng đứng Việc tự động hoá vào đồng có ảnh hƣởng trực tiếp đến sản xuất Một số thiết bị lẻ tổ hợp khơng thích hợp với chế độ tự động hoá đƣợc thay loại thiết bị Giai đoạn IV - Từ 1980 đến nay: Cùng với phát triển vũ bão nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt phát triển mãnh liệt kỹ thuật điện tử công nghệ tin học, công nghệ khai thác than hầm lò chuyển biến dần chiều sâu Nhiều dây chuyền sản xuất tự động hoá, đƣợc kiểm soát chặt chẽ, hoạt động ổn định đem lại hiệu cao Quá trình khai thác than đƣợc gắn liền -4- với việc đảm bảo điều kiện lao động an toàn cho thợ mỏ bảo vệ môi trƣờng thiên nhiên Hƣớng phát triển cơng nghệ khai thác than hầm lị Xu hƣớng phát triển ngành khai thác than hầm lò nƣớc tiên tiến giới bao gồm: - Tạo tƣơng lai dây chuyền công nghệ liên tục nhất, khí hố tồn tự động hoá để khai thác vận chuyển than từ gƣơng lò chợ đến toa xe bunke nhận than nhà máy tuyển mặt đất ; - Lựa chọn đắn mức độ tự động hoá theo hợp lý kinh tế cho điều kiện cụ thể theo yêu cầu đảm bảo an toàn lao động đến mức cao ; - Tập trung hố việc điều khiển kiểm tra cơng tác khu vực thiết bị sản xuất chủ yếu mỏ hầm lị nhằm nâng cao tính linh hoạt việc điều khiển sản xuất, tăng thời gian làm việc hữu ích (tăng hệ số sử dụng thời gian) thiết bị, giảm số công nhân vận hành máy móc, thiết bị ; - Cải tiến hệ thống khai thác nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc khí hố tồn tự động hố ; - Gắn chặt q trình khai thác than với nhiệm vụ bảo vệ môi trƣờng để trì phát triển bền vững Thực trạng hƣớng phát triển ngành than hầm lò Việt Nam Điều kiện địa chất vùng than nƣớc ta có đặc điểm bật địa hình đồi núi, thích hợp cho khai thác lộ thiên Do đó, tỷ trọng sản lƣợng than khai thác phƣơng pháp hầm lò so với tổng sản lƣợng than khai thác hàng năm chiếm khoảng 30-35 % Hiện nay, ngành khai thác than hầm lò Việt Nam lạc hậu so với nƣớc tiên tiến Cơng nghệ khấu than gƣơng lị khai thác đào gƣơng lò chuẩn bị chủ yếu thủ cơng kết hợp với cơng tác khoan nổ mìn Trong gƣơng lị chợ dài cơng tác nặng nhọc tốn thời gian nhƣ chống lò, điều khiển áp lực mỏ phải thao tác thủ công Tuy nhiên, ngành than hầm lò nƣớc ta khí hố bán khí hố đƣợc nhiều khâu công nghệ quan trọng mỏ Việc vận tải than -5- hầm lị ngồi mặt đƣợc khí hố hồn tồn, hầu hết mỏ hầm lò đƣợc trang bị đầu tầu điện goòng đến tấn, hoạt động cỡ đƣờng 600 đến 900 mm Nhiều mỏ lắp đặt thành công hệ thống băng tải bán tự động tự động để vận chuyển than giếng nghiêng mặt Nhiều loại máy thiết bị cố định chun dùng đƣợc khí hố tự động hoá Trong năm 70 kỷ trƣớc mỏ Vàng Danh đƣa máy liên hợp chống đơn thép vào khai thác thí điểm lị chợ, song nhiều ngun nhân khách quan thử nghiệm chƣa đạt tới kết mong muốn Vài năm gần đây, nhiều mỏ hầm lị đƣa vào áp dụng thành cơng chống thuỷ lực đơn chống tổ hợp kiểu giá thuỷ lực di động lò chợ, tiêu kinh tế-kỹ thuật lò chợ đƣợc cải thiện đáng kể Đặc biệt, mỏ Khe Chàm áp dụng thành công phƣơng pháp khấu than máy liên hợp, sản lƣợng lò chợ đƣợc nâng lên hai lần so với phƣơng pháp khoan nổ mìn Trong tƣơng lai gần, với việc nâng cao tổng sản lƣợng khai thác than, tỷ trọng sản lƣợng khai thác hầm lị gia tăng lên tới 50% tổng sản lƣợng Do đó, muốn đáp ứng đƣợc yêu cầu sản lƣợng cải thiện đƣợc tiêu kinh tế-kỹ thuật, ngành khai thác than hầm lò cần đƣợc phát triển theo hƣớng sau đây: - Cải tạo mỏ cũ xây dựng số mỏ theo hƣớng tăng sản lƣợng tập trung hoá sản xuất - Ƣu tiên áp dụng hệ thống khai thác có gƣơng lị chợ dài với việc đầu tƣ hợp lý để khí hố khâu cơng tác lị chợ Nghiên cứu áp dụng công nghệ bán khí hố khí hố vào gƣơng lị ngắn - Nâng cao tốc độ đào đƣờng lò mở vỉa chuẩn bị sở áp dụng loại máy thiết bị đào lị có suất cao hồn thiện việc tổ chức cơng tác đào lò - Nâng cao lực vận tải hầm lò cách thay goòng với cỡ đƣờng 600 mm goòng đến với cỡ đƣờng 900 mm, ý phát triển phƣơng tiện vận tải liên tục, chủ yếu tuyến băng tải - Gắn liền phát triển khai thác than với công tác bảo vệ môi trƣờng tự nhiên -6- CHƢƠNG 1: ÁP LỰC MỎ 1.1 Khái niệm chung áp lực mỏ 1.1.1 Áp lực mỏ Áp lực mỏ lực đá mỏ xung quanh hầm lị tác động lên chống lị, khối đá ngun, trụ than, khối đá chèn Trọng lực đá mỏ nguyên nhân gây áp lực mỏ Trong q trình khấu than gƣơng lị chợ đá vách bị bóc lộ dịch chuyển trọng lƣợng lớp đá khác nằm Khi hạ võng, đá vách tách lớp, rạn nứt sập đổ Điều làm biến dạng chống lị gây phân bố lại ứng suất đá mỏ xung quanh hầm lò Để đảm bảo điều kiện cơng tác an tồn lị chợ cần phải lắp dựng chống lị thực biện pháp điều khiển áp lực mỏ Vì chống lị chợ giữ đá vách khơng bị sập đổ khu vực gần gƣơng than, nơi vách vỉa lớp đá nằm đƣợc trì chủ yếu nhờ lực liên kết với lớp đá ổn định khối than nguyên khoảng cách vài mét kể từ gƣơng lò tùy thuộc vào tính chất đá, lực liên kết bị suy giảm đến mức chống lị chợ khơng cịn đủ tác dụng a b c Hình 1.1 Các phƣơng pháp chống giữ lị chợ: a- Vì chống đơn chèn lị; b- Vì chống gần gƣơng chống phá hỏa phá hỏa đá vách; cVì chống di động khí hóa Nếu khoảng trống khai thác đƣợc chèn lấp tồn (hình 1.1-a) áp lực mỏ đƣợc khối đá chèn tiếp nhận Nếu áp dụng phƣơng pháp khai thác với phá hỏa đá vách đƣờng biên vùng sập đổ cần phải thiết lập chống phá hỏa (hình 1.1-b) Vì chống gần gƣơng, chống phá hỏa khối đá chèn đƣợc dùng để tiếp -7- nhận áp lực mỏ bảo vệ khơng gian lị chợ khơng bị sập đổ Hiện loại chống di động khí hóa đƣợc sử dụng rộng rãi để bảo vệ khơng gian lị chợ (hình 1.1-c) Tập hợp biện pháp chống giữ, chèn lị, trình tự phá hỏa đá vách, đƣợc áp dụng để bảo vệ hầm lị khơng bị áp lực mỏ phá hủy, đƣợc gọi điều khiển áp lực mỏ Để lựa chọn đắn loại chống phƣơng pháp điều khiển áp lực mỏ cần phải có lý thuyết khoa học áp lực mỏ, giải thích đƣợc chất vật lý tƣợng xảy lòng đất thực cơng tác mỏ Cho đến chƣa có đƣợc lý thuyết thực hoàn chỉnh áp lực mỏ Điều đƣợc giải thích đa dạng điều kiện địa chất mỏ, phức tạp q trình xảy lịng đất khai thác khoáng sản đá mỏ dịch động, đồng thời nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến trị số đặc điểm áp lực mỏ cịn đƣợc nghiên cứu Mặc dù vậy, để giải thích đặc điểm lƣợng hóa đƣợc áp lực mỏ có nhiều giả thuyết khác đƣợc đề xuất, tức sở khoa học đặc điểm khái quát chế xuất áp lực mỏ địa khối, đặc biệt vùng xung quanh hầm lị Có nhiều yếu tố gây ảnh hƣởng đến trị số đặc điểm xuất áp lực mỏ: thành phần, cấu tạo tính chất cơ-lý đá mỏ; độ sâu khai thác; chiều dày vỉa than; chiều dài lò chợ; tốc độ dịch chuyển gƣơng lò; độ dốc vỉa than đá; tải trọng đặc điểm kết cấu chống lò v.v 1.1.2 Phân loại đá mỏ Sự dịch chuyển địa tầng khai thác than gây trình vật lý phức tạp, đặc trƣng mối tác động tƣơng hỗ tập hợp nhiều yếu tố Những yếu tố phụ thuộc đáng kể vào công nghệ thực công tác mỏ Với địa tầng, trình dịch chuyển lớp đá khác khai thác vỉa gƣơng lò dài gƣơng lò ngắn, bƣớc khấu rộng hẹp, với tiến độ khác gƣơng, phƣơng pháp điều khiển đá vách khác v.v Tập hợp tính chất đá mỏ, quy định hành vi dƣới tác động công tác mỏ, đƣợc -8- gọi tính chất cơng nghệ Các tính chất chủ yếu là: độ bền vững, độ phân lớp, độ nứt nẻ khả sập đổ (phá hoả) Sự kết hợp tính chất cơng nghệ khác địa tầng vơ đa dạng định lựa chọn đắn q trình cơng nghệ khai thác 1.1.2.1 Cấu tạo, cấu trúc phân lớp đá mỏ Cấu tạo địa tầng đƣợc xác định điều kiện thành tạo khoáng sàng Các khoáng sàng dạng trầm tích thƣờng có đặc điểm phân lớp vỉa sét kết, bột kết, cát kết, đá vơi v.v Các tính chất loại đá đƣợc nghiên cứu tỷ mỷ dạng mẫu đá, song tính chất bền đàn hồi địa tầng khác biệt nhiều so với tính chất mẫu đá Có khác biệt cấu trúc độ nứt nẻ lớp đá Tất loại đá có vô số nứt nẻ, tách biệt địa tầng thành khối cấu trúc Các tính chất đá đƣợc xác định mẫu, với kích thƣớc nhỏ khối cấu trúc, khơng thể đặc trƣng cho tính chất địa tầng Chính vậy, để nhận biết tính chất địa tầng, cần phải lấy thơng tin từ địa khối có chứa số lƣợng khối cấu trúc đủ lớn Để thuận tiện cho việc nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp chống lò điều khiển áp lực mỏ, lớp đá xung quanh vỉa than đƣợc phân biệt theo dấu hiệu riêng Căn vào vị trí phân bố so với vỉa than, ngƣời ta chia đá vách thành vách giả, vách trực tiếp vách bản, đá trụ - trụ giả, trụ trực tiếp trụ Vách giả lớp đá không dày (thƣờng tới 0,5-0,6 m) nằm vỉa than Lớp dễ bị sập bị sập với than khấu, bị sập sau khoảng thời gian ngắn Tuy nhiên, nhiều vỉa than khơng có vách giả Vách trực tiếp lớp đá tƣơng đối dễ sập nằm phía vỉa than áp lực lớp tác dụng lên chống gƣơng lị trụ than Khi khơng có vách giả, vách trực tiếp nằm sát vỉa than Vách lớp đá bền chắc, khó sập nằm vách trực tiếp khơng sập đồng thời với lớp Có vách nằm vỉa, lớp đá cứng dày -9- Vách giả thƣờng diệp thạch than, diệp thạch sét yếu; vách trực tiếp phổ biến diệp thạch sét-cát diệp thạch sét; vách thƣờng đá vôi cát kết, diệp thạch sét vững Trụ giả lớp đá mỏng, dễ bị phá huỷ trình khấu than Trụ trực tiếp lớp đá nằm dƣới vỉa than khơng có trụ giả Các tƣợng bùng nền, tƣợng trƣợt sập vỉa dốc đứng có quan hệ chặt chẽ với tính chất trụ trực tiếp Trụ lớp đá vững nằm dƣới trụ trực tiếp Độ ổn định khả sập đổ đá lò chợ phụ thuộc nhiều vào cách thức tách lớp chúng, chiều dày chúng có vai trị lớn Khi mối gắn kết lớp yếu lớp mỏng, chúng dễ sập đổ khối tƣơng đối nhỏ Khi lớp đá dày, chúng khó uốn võng sập đổ với khối lớn Các loại đá trầm tích có tính phân lớp, lắng đọng khơng đồng chất Nguyên nhân phân lớp đan xen lớp đá yếu lớp đá bền vững, tách lớp xảy theo lớp đá yếu, cho dù chúng mỏng Tính phân lớp biểu rõ nét địa khối có lớp đá chất sét, than, sliuđit chứa tàn dƣ thực vật Giữa lớp đá có bề mặt liên kết yếu, chúng qua ranh giới vỉa, xen vào lớp đá đồng chất Đó nguyên nhân phân vỉa Chiều dày phân vỉa lớn, tính ổn định cao Do phân vỉa khơng có gắn kết với lớp đá nằm trên, tồn trọng lƣợng đƣợc truyền xuống lớp đá nằm dƣới Phân loại đá mỏ theo tính phân lớp Loại đá Phân lớp mỏng Phân lớp mỏng Phân lớp trung bình Phân lớp dày Phân lớp dày Độ dày lớp, m < 0,2 0,2 13 10 > 10 1.1.2.2 Độ nứt nẻ đá - 10 - Độ ổn định đá mỏ xung quanh hầm lò phụ thuộc nhiều vào độ nứt nẻ chúng Trong vỉa đá vôi, khoảng cách vết nứt lớn chiều dày vỉa từ 210 lần Trong vỉa cát kết hạt mịn, 78 % có khoảng cách vết nứt vƣợt chiều dày vỉa 13 lần, 20 % - từ 310 lần Trong vỉa cát kết hạt thơ có tới 92 % trƣờng hợp có khoảng cách vết nứt lớn chiều dày từ 13 lần Trong lớp diệp thạch cát, khoảng cách vết nứt gần chiều dày lớp Các loại đá chất sét thƣờng có độ nứt nẻ cao, khoảng cách vết nứt thƣờng nhỏ chiều dày vỉa Các vết nứt đƣợc nhận biết qua chiều dài chiều rộng chúng Khi chiều rộng vết nứt nhỏ 0,05 mm, chúng có cỡ sợi tóc; chiều rộng từ 0,05 đến mm - mảnh; từ đến 10 mm - cỡ milimét; từ 10 đến 100 mm - cỡ centimét; từ 100 đến 1000 mm - cỡ decimét Tất nhiên, tính ổn định đá phụ thuộc vào mật độ vết nứt, đƣợc xác định số vết nứt m2 diện tích địa khối Phụ thuộc vào độ nứt nẻ, loại đá đƣợc phân biệt nhƣ sau: - Khơng nứt nẻ ; - nứt nẻ - có hệ nứt với khoảng cách chúng lớn m ; - Nứt nẻ trung bình - có hai hệ nứt cắt chéo với khoảng cách chúng lớn m ; - Nứt nẻ mạnh - có vài hệ nứt cắt chéo với tần suất phân bố trung bình tới 0,5 m ; - Nứt nẻ mạnh - có nhiều hệ nứt phân bố cách qua khoảng cách nhỏ 0,2 m Độ ổn định đá vách lò chợ phụ thuộc nhiều vào góc tạo gƣơng lị hƣớng thớ nứt nó, góc định phƣơng thức dịch chuyển đá vách 1.1.2.3 Độ ổn định đá bị bóc lộ Tính bền đá bị bóc lộ cơng tác mỏ đƣợc gọi độ ổn định Trạng thái phần đá vách bị bóc lộ không đƣợc chống giữ đƣợc coi ổn - 11 - định, qua khoảng thời gian nhu cầu sản xuất khơng bị sập đổ trơi trƣợt, cịn dịch chuyển khơng vƣợt q giới hạn cho phép Độ ổn định đá đƣợc xác định khả không bị phá huỷ dƣới tác động tự trọng nội ứng suất bị bóc lộ Cần phân biệt tính ổn định đá bóc lộ thời gian ngắn ổn định thời gian dài Độ ổn định đá vách ảnh hƣởng lớn đến hiệu khai thác vỉa than, đến việc lựa chọn loại kết cấu chống lị chợ phƣơng pháp điều khiển đá vách Phân loại đá vách theo độ ổn định Loại đá vách Không ổn định Kém ổn định ổn định trung bình ổn định Rất ổn định Đặc điểm ổn định Khi không chống giữ, sập đổ sau tiến độ gƣơng Khi dải bóc lộ gƣơng rộng tới m, ổn định 2-3 h Khi dải bóc lộ gƣơng rộng tới m, ổn định tới ngày-đêm Khi dải bóc lộ rộng tới m, ổn định tới ng-đêm Khi dải bóc lộ rộng 5-6 m, ổn định lâu dài 1.1.2.4 Khả sập đổ đá vách Các loại đá vách khác có khả sập đổ khác Khi điều khiển đá vách phƣơng pháp phá hoả toàn phần, cần phân biệt phá hoả ban đầu, phá hoả đợt phá hoả đợt hai Phá hoả ban đầu đƣợc tiến hành gƣơng lò chợ dịch chuyển qua khoảng định kể từ lò cắt, gọi bƣớc phá hoả ban đầu Thông thƣờng, bƣớc phá hoả ban đầu 8-12 m, nhƣng với loại đá vách bền vững, bƣớc tới 50-60 m Để phá hoả đá vách bền vững, phải sử dụng phƣơng pháp khoan nổ mìn Sau phá hoả ban đầu thực phá hoả thƣờng kỳ đá vách trực tiếp, liền sau tiến độ gƣơng lò chợ, phá hoả đợt Đá vách thƣờng treo dạng côngsơn Theo mức độ dịch chuyển gƣơng lị chợ, kích thƣớc côngsơn lớn dần tới thời điểm sập đổ Sự sập đổ vách đƣợc gọi phá hoả đợt hai Nếu nhƣ đá vách trực tiếp sau sập đổ lấp đầy tồn khoảng trống khai thác, sập đổ đợt hai khơng xảy Cịn khoảng trống khai thác khơng đƣợc lấp đầy, cƣờng độ sập đổ vách nhỏ, tỷ số chiều dày vách trực tiếp chiều dày vỉa than lớn - 12 - Theo khả tự sập đổ lớp đá vách ngƣời ta phân biệt chúng dựa vào bƣớc phá hoả (lph), chúng đƣợc chia thành năm nhóm: Phân loại đá vách theo bƣớc phá hỏa Loại đá vách Rất dễ phá hoả Dễ phá hoả Trung bình Khó phá hoả Rất khó phá hoả Bƣớc phá hoả ( lph, m) < 0,5 0,5 - 2,0 2,0 - 5,0 5,0 - 10 > 10 Trình tự đặc điểm phát triển trình phá huỷ đá vách đƣợc định đặc tính cấu trúc tính chất học đá Trên sở khả sập đổ đá, viện nghiên cứu VUGI (Liên Xô cũ) đề xuất bảng phân loại dƣới Loại đá I II III IV Phân loại đá vách theo khả sập đổ Đặc điểm đá vách Vách trực tiếp hay nhiều lớp đá dễ sập đổ, có chiều dày khơng nhỏ 6-8 lần chiều dày vỉa than đƣợc khai thác Vách trực tiếp lớp đá dễ sập đổ, có chiều dày nhỏ 6-8 lần chiều dày vỉa Vách loại đá khó sập đổ, sập đổ diện lớn Vách trực tiếp lớp đá dày, khó sập đổ Trong số trƣờng hợp khơng có vách trực tiếp vỉa than vách bản, có khả bóc lộ diện lớn Vách trực tiếp loại đá có khả hạ võng từ từ mà không bị rạn nứt đứt gẫy (khi chiều dày vỉa không 0,8-1,0 m) Từ bảng phân loại thấy rằng, vách trực tiếp loại đá dễ sập đổ, dày 6-8 lần chiều dày vỉa (đá loại I), tải trọng tác động lên chống lớp đá gây Trong vách bị chèn tồn đá vách trực tiếp phá hoả, hạ võng khơng gây tải trọng lên chống Nếu khơng có điều kiện trên, vách sập đổ khơng phải lúc chống chịu đƣợc tải trọng sinh vách trực tiếp vách Khi xét tới bƣớc phá hoả đá mỏ vùng áp lực tựa trƣớc gƣơng lị chợ, viện VNIMI có bổ xung cho bảng phân loại đá vách VUGI Phân loại đá vách theo VUGI – VNIMI Loại đá I Đặc điểm đá vách Vách trực tiếp vách lớp đá dễ phá hoả Vách trực tiếp phá hoả theo chu kỳ lò chợ, vách treo khoảng trống khai thác độ không lớn, phạm vi bƣớc sập vách trực tiếp Vùng áp lực tựa vỉa than phân bố khoảng cách không lớn khối nguyên, kể từ biên khoảng trống khai thác - 13 - II III IV Vách trực tiếp đá dễ phá hoả, dày 3-10 m; vách lớp đá dày, khó phá hoả Vách treo khoảng trơng khai thác với độ không lớn (tới 3-4 bƣớc phá hoả vách trực tiếp) Vùng áp lực tựa phân bố khoảng cách đáng kể phía trƣớc lị chợ Vách trực tiếp lớp đá bền vững, khó phá hoả, dày 3-5 m Trên loại đá dễ phá hoả, khơng có khả treo tự Khả treo khoảng trống khai thác loại đá phụ thuộc vào chiều dày độ bền vững vách trực tiếp Bƣớc phá hoả vách tuỳ thuộc vào kích thƣớc khối gẫy vách trực tiếp Khi chiều dày vỉa khơng q m, có khả đá vách hạ từ từ Các vách trực tiếp loại đá bền vững, khó phá hoả Chúng có xu hƣớng treo khoảng trống khai thác với độ lớn (tới 50 m hơn) tạo áp lực tựa lớn trƣớc gƣơng lò chợ Khi khai thác vỉa dốc đứng, bên cạnh sập đổ đá vách cịn có trơi trƣợt đá trụ Quan tâm đến khả này, viện ĐônUGI (Ukraina) đề xuất bảng phân loại đá dƣới Phân loại đá cho vỉa dốc đứng Loại đá I II III IV V VI Đặc điểm đá vách Vách trực tiếp đá yếu vách giả Đặc điểm đá trụ Trụ yếu có khả trƣợt, trụ giả Vách trực tiếp đá dễ phá hoả, có chiều Trụ trực tiếp có độ bền từ trung dày không nhỏ 6-8 lần chiều dày vỉa bình trở lên, khơng trƣợt Vách trực tiếp có độ bền trung bình, phá Trụ trực tiếp có độ bền trung hoả chiều cao nhỏ 6-8 lần chiều bình, khơng trƣợt dày vỉa Vách đá khó phá hoả, có khả bóc lộ diện lớn Vách trực tiếp đá khó phá hoả, có khả Trụ trực tiếp có độ bền trung bóc lộ diện lớn bình hay bền vững, không trƣợt Vỉa dày dƣới 0,7 m, vách trực tiếp có khả Trụ khơng trƣợt, có khả năng hạ từ từ trƣơng bùng Vách trực tiếp đá khó phá hoả Trụ đá yếu, dễ trơi trƣợt Kinh nghiệm khai thác mỏ cho thấy vách gây ảnh hƣởng lớn đến hoạt động lò chợ lò chuẩn bị Vách đƣợc chia làm hai nhóm: dễ điều khiển khó điều khiển Đá vách dễ điều khiển loại đá không gây phá hoả đợt hai Khi đó, vỉa than vách có lớp đá vách trực tiếp dễ phá hoả với chiều dày lớn 34 lần chiều dày vỉa, mà sập đổ tạo khả hạ võng vách Đá vách khó điều khiển loại đá có bƣớc phá hoả đợt đợt hai lớn 30 m, vách trực tiếp đá dễ phá hoả với chiều dày nhỏ lần chiều dày vỉa than - 14 - Đá vách khó điều khiển thƣờng loại đá đồng chất có giới hạn bền chịu nén trục lớn 70 MPa: cát kết, đá vơi, diệp thạch cát 1.1.3 Các tính chất cơng nghệ vỉa than 1.1.3.1 Phân loại vỉa than theo đặc điểm công nghệ Để dễ dàng lựa chọn phƣơng pháp chống giữ lò chợ phƣơng pháp điều khiển áp lực mỏ, nhƣ sơ đồ công nghệ khai thác than hợp lý, vỉa than đƣợc phân loại theo hai dấu hiệu chính, chiều dày góc dốc chúng Theo chiều dày, vỉa than đƣợc chia thành bốn nhóm: - Rất mỏng: có chiều dày khơng q 0,7 m; - Mỏng: có chiều dày từ 0,71 đến 1,2 m; - Dày trung bình: có chiều dày từ 1,21 đến 3,5 m; - Dày: có chiều dày lớn 3,5 m Với mục đích chế tạo lựa chọn phƣơng tiện khí hố để chống giữ khai thác than lò chợ, ngƣời ta đề nghị chia vỉa than theo chiều dày chúng thành bẩy nhóm: - Nhóm - vỉa dày không 0,6 m, mà chƣa có tổ hợp thiết bị khí hố tồn phù hợp (ngoại trừ cơng nghệ khoan lấy than vỉa dốc thoải); - Nhóm hai - vỉa dày từ 0,60,9 m, đƣợc chế tạo tổ hợp khí hố, nhƣng suất chúng bị hạn chế chật hẹp khơng gian lị chợ Khi đó, với chiều cao hạn chế lị chợ, khoảng cách xà chống thân máy khai thác hay máng cào không đáng kể Vì vậy, máy liên hợp buộc phải bố trí bên ngồi khung máng cào, làm thay đổi bố cục tổ hợp, giảm hiệu hoạt động nó; - Nhóm ba - vỉa dày từ 0,91,3 m, bố trí máy liên hợp máng cào, nhƣng dƣới thân máy phải có khoảng hở cần thiết cho dòng tải than máng cào; - Nhóm bốn - vỉa dày từ 1,32,0 m, bố trí dễ dàng máy liên hợp máng cào Đây điều kiện thuân lợi để tạo tổ hợp thiết bị với suất cao; - 15 - - Nhóm năm - vỉa dày từ 2,03,5 m, có điều kiện khai thác thuận lợi Nhƣng phát triển mạnh tƣợng ép trồi, cần phải bổ sung phận chống lở gƣơng vào kết cấu chống; - Nhóm sáu - vỉa dày từ 3,55,0 m, khai thác phƣơng pháp chia lớp Song, vỉa dốc thoải khai thác lớp tổ hợp thiết bị khí hố, phá hoả đá vách tháo tận thu lớp than đệm dƣới vách; vỉa dốc đứng để khấu lớp cần chế tạo tổ hợp thiết bị áp dụng chèn lị tồn phần; - Nhóm bẩy - vỉa dày m, khai thác theo phƣơng pháp chia lớp, sử dụng tổ hợp thiết bị vỉa dày trung bình Theo góc dốc, vỉa than đƣợc chia thành bốn nhóm: - Dốc thoải: có góc dốc từ đến 18o; - Dốc nghiêng: có góc dốc từ 19 đến 35o; - Dốc nghiêng - đứng: có góc dốc từ 36 đến 55o; - Dốc đứng: có góc dốc từ 56 đến 90o Góc dốc vỉa than có ảnh hƣởng lớn đến việc lựa chọn chống lò chợ phƣơng pháp điều khiển áp lực mỏ Điều kiện thuận lợi để sử dụng tổ hợp thiết bị khí hố vỉa có góc dốc từ đến 12o, lực hấp dẫn không ảnh hƣởng đến việc lựa chọn kết cấu thiết bị khai thác vỉa theo phƣơng, ngƣợc chiều dốc xuôi chiều dốc vỉa có góc dốc từ 13 đến 35o trình khai thác thƣờng đƣợc tiến hành theo phƣơng Khi khai thác vỉa dốc từ 46 đến 90o gặp nhiều khó khăn khả trơi trƣợt đá trụ ảnh hƣởng mạnh lực hấp dẫn Trong trƣờng hợp chống lị chợ buộc phải có kết cấu đặc biệt để khơng bị trơi trƣợt q trình vận hành Q trình điều khiển áp lực mỏ lị chợ có nhiều đặc điểm thay đổi góc dốc vỉa gia tăng 1.1.3.2 Các tính chất than nguyên khối Các tính chất lý than nguyên khối chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên kỹ thuật mỏ Các yếu tố tự nhiên bao gồm: mức độ biến chất, độ nứt nẻ, độ kiên cố than, cấu tạo vỉa, độ dày v.v Các yếu tố kỹ thuật mỏ - 16 - bao gồm: chiều rộng lò chợ, loại, mật độ độ linh hoạt chống, phƣơng pháp điều khiển đá vách, tốc độ dịch chuyển gƣơng, phƣơng pháp khấu than, hƣớng khấu v.v Khi khối than nguyên gƣơng lò chợ kiên cố, nhiều rạn nứt, làm gia tăng độ dịch chuyển đá vách đá trụ, dẫn đến suy giảm tính ổn định lớp đá Các tính chất than nguyên khối ảnh hƣởng đến việc lựa chọn phƣơng pháp bảo vệ lị chuẩn bị, cá biệt việc xác định kích thƣớc trụ bảo vệ, xa việc chọn thông số hệ thống khai thác 1.1.3.3 Hiện tượng ép trồi gương lò chợ Ứng suất bình thƣờng vỉa than trƣớc khai thác áp lực tác động lên lớp đá nằm Quá trình phân bố lại ứng suất xảy việc khai thác than lò chợ Sự thay đổi trạng thái ứng suất vùng bóc lộ, thƣờng xuyên xuất lực đẩy ngang, dẫn tới dịch chuyển vỉa phía khoảng trống khai thác Đó nguyên nhân sinh tƣợng ép trồi gƣơng lò chợ Nếu biến dạng kéo đạt tới trị số giới hạn, vết nứt ép trồi phát triển, hƣớng thẳng góc với mặt phân vỉa song song với mặt bóc lộ Khi đó, than bị phá thành tảng dạng cột nhỏ, gây tƣợng lở gƣơng Trong phần lại vùng ép trồi biến dạng kéo chƣa đạt tới trị số giới hạn than chƣa bị phá huỷ rõ ràng Hiện tƣợng ép trồi gƣơng lò chợ phụ thuộc nhiều vào thơng số kỹ thuật lị chợ Trong quan trọng là: chiều rộng lị chợ, chiều rộng khấu máy khai thác, phƣơng pháp điều khiển đá vách, độ linh hoạt chống v.v Khi tăng chiều rộng lò chợ dẫn đến gia tăng mức hạ võng đá vách độ biến dạng khối than gƣơng lò Việc giảm chiều rộng khấu máy khai thác làm giảm giá trị hạ võng đá vách ép trồi than Phƣơng pháp điều khiển đá vách thƣờng đƣợc lựa chọn dựa vào khả phá hoả Khi vách đá yếu có độ ổn định trung bình, trình phá hoả tƣợng ép trồi đƣợc ghi nhận yếu hơn, so với vách loại đá bền - 17 - vững Đá vách bền vững thƣờng treo không sập đổ diện bóc lộ lớn, độ võng đạt giá trị cao gây ép trồi mãnh liệt than Trong điều kiện nhƣ vậy, ép trồi thay đổi theo tiến độ dịch chuyển lị chợ theo thay đổi chiều dài cơngxơn đá vách phạm vi bƣớc phá hoả Một số tác giả cho rằng, lò chợ chuyển từ phƣơng pháp chèn lò phần sang phƣơng pháp chèn tồn phần, độ hạ võng vách hệ số ép trồi trung bình giảm 20 % Độ linh hoạt chống ảnh hƣởng đến hạ võng vách mức độ ép trồi than Nếu độ linh hoạt chống gia tăng, độ hạ võng vách ép trồi tăng theo 1.1.4 Các phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ Có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực tế sản xuất, nghiên cứu phòng thí nghiệm nghiên cứu tổng hợp Khi tiến hành nghiên cứu lý thuyết, chủ yếu sử dụng giả thuyết áp lực mỏ, giả thuyết đƣợc áp dụng cho trƣờng hợp riêng gần với điều kiện khai thác mỏ Một số giả thuyết phổ biến áp lực mỏ lò chợ đƣợc giới thiệu chƣơng sau Hiện phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ thực tế sản xuất đƣợc áp dụng rộng rãi Phƣơng pháp khơng q phức tạp sớm đƣa kết để đáp ứng yêu cầu sản xuất Tuy nhiên, bị hạn chế yếu tố không gian, chỗ địa tầng cần đƣợc nghiên cứu ngƣời thiết bị quan trắc tiếp cận đƣợc Để nghiên cứu áp lực mỏ thực tế sản xuất cần phải có phƣơng tiện khảo sát đo đạc Các phƣơng tiện là: - Phƣơng tiện đo áp lực, thƣờng lực kế dạng cột chống hay đế cột, áp kế để xác định tải trọng cột chống thủy lực, thiết bị đo áp lực theo nguyên lý cảm biến trở; - Thƣớc đo độ dài vi phân kế để xác định khoảng biến dạng mà mắt thƣờng thấy đƣợc; - 18 - - Các thiết bị quang học nhƣ máy trắc đạc, máy ảnh, máy quay phim ; - Đồng hồ thời gian Khi nghiên cứu áp lực mỏ thực tế sản xuất chủ yếu giải vấn đề cụ thể sau đây: - Xác định trị số áp lực mỏ lò chợ biến đổi theo khơng gian thời gian; - Kiểm tra khả lấp đầy khoảng trống khai thác tiến hành phá hỏa đá vách; - Độ lún trạng thái ứng suất khối đá chèn; - Vận tốc gia tốc, nhƣ hƣớng phát triển trình dịch chuyển đá vách đá trụ q trình khai thác khống sản; - Ảnh hƣởng q trình khai thác lị chợ đến áp lực mỏ lò chuẩn bị tiếp giáp với nó; - Sự ảnh hƣởng q trình khai thác mỏ đến mặt đất v.v Phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ phịng thí nghiệm đƣợc thực để bù đắp hạn chế phƣơng pháp nghiên cứu khác nêu Phƣơng pháp chủ yếu đƣợc tiến hành theo hƣớng mô hình hóa, tức mơ điều kiện thực tế khai thác mỏ qua việc thiết lập mơ hình phịng thí nghiệm Có nhiều dạng mơ hình: mơ hình vật liệu tƣơng đƣơng, mơ hình quang đàn hồi, mơ hình tốn-lý, tốn-cơ v.v Khi thiết lập mơ hình vật liệu tƣơng đƣơng, phải tuân thủ nghiêm túc nguyên tắc chặt chẽ tƣơng đƣơng hình học, tƣơng đƣơng số vật lý, tƣơng đƣơng yếu tố thời gian, tƣơng đƣơng trạng thái ban đầu kết thúc v.v , đòi hỏi nhà nghiên cứu phải làm việc kiên trì cẩn trọng để đạt đƣợc mục đích mong muốn Các mơ hình quang đàn hồi sử dụng vật liệu cảm quang đƣợc chất tải, chủ yếu để mô trạng thái ứng suất đá mỏ phân bố ứng suất xung quanh hầm lò đƣợc phản ánh qua vân thoa ánh sáng ảnh Tuy nhiên mơ hình phù hợp với địa tầng tƣơng đối đồng chất Hiện nay, với trợ giúp máy tính điện tử công nghệ thông tin, nhiều mô - 19 - hình tốn-lý tốn-cơ mơ diễn biến q trình khai thác mỏ lịng đất đƣợc thiết lập, mở hƣớng nghiên cứu áp lực mỏ hầm lò Để giải vấn đề áp lực mỏ cách toàn diện đủ tin cậy cần phải thực phƣơng pháp nghiên cứu tổng hợp, tức kết hợp ba phƣơng pháp nghiên cứu kể trên: lý thuyết, thực tế sản xuất phịng thí nghiệm, nhánh nghiên cứu bổ khuyết cho có nhƣ kết nghiên cứu có đủ tính khả thi 1.2 Giả thuyết áp lực mỏ vòm cân tự nhiên Sự hình thành vịm cân tự nhiên khu khai thác theo đƣờng phƣơng đƣợc thể hình 1.2 Trạng thái lị chợ lò cắt, lúc phân bố ứng suất đá mỏ, mà chủ yếu đá vách, xung quanh tƣơng tự nhƣ đƣờng lị chuẩn bị khác (hình 1.2 a) Giáp với lị cắt vùng ứng suất thấp hay đƣợc gọi vùng biến dạng không đàn hồi, đá mỏ dịch chuyển, tách lớp rạn nứt, vùng gây áp lực tác động lên chống lò Giới hạn phát triển vùng tạo vòm đƣợc gọi "vòm cân tự nhiên" Bao quanh vùng ứng suất thấp vùng ứng suất cao hay đƣợc gọi vùng biến dạng đàn hồi, áp lực gia tăng vùng đƣợc mặt vòm tiếp nhận truyền xuống chân vòm, gây áp lực tựa Khi bắt đầu khai thác lò chợ, diện bóc lộ đá vách lớn dần theo tiến độ khai thác vùng biến dạng không đàn hồi phát triển theo, tức vòm cân tự nhiên áp lực tựa vùng biên lớn dần Trên hình 1.2b thể trạng thái phân bố ứng suất vị trí vịm cân tự nhiên thời điểm sau phá hỏa ban đầu Tiếp theo giai đoạn khai thác ổn định lò chợ với đợt phá hỏa đá vách thƣờng kỳ nhƣ đƣợc phân tích mục trƣớc Trong giai đoạn vịm cân tự nhiên đạt kích thƣớc tối đa dịch chuyển theo tiến độ khai thác lò chợ (hình 1.2c), chân vịm phía trƣớc ln ln gối lên khối than ngun phía trƣớc gƣơng lị chợ, cịn chân vịm phía sau rời khỏi khối ngun, tiến dần vào khoảng trống khai thác tựa lên vùng đá phá hỏa bị nén chặt trở lại - 20 - ... trình cơng nghệ khai thác than hầm lị Các giai đoạn phát triển cơng nghệ khai thác than hầm lị Hƣớng phát triển công nghệ khai thác than hầm lò Thực trạng hƣớng phát triển ngành than. .. khai thác máy đánh rạch khoan nổ mìn 10 4 5.3 Cơng nghệ khai thác than máy Combai 10 8 5.4 Công nghệ khai thác máy bào 12 6 CHƢƠNG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC KHÁC 13 6 6 .1. .. xuất lò chợ 93 4.4 Quy trình cơng nghệ sử lý cơng nghệ lị chợ .10 0 CHƢƠNG 5: CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CƠ GIỚI HÓA 10 3 5 .1 Lịch sử phát triển công nghệ khấu than 10 3 5.2 Công nghệ