APPLICATION OF COMBAI IN MINING AND TUNNELING INDUSTRIES - Full 10 điểm

Ứ NG D Ụ NG COMBAI TRONG CÔNG NGHI Ệ P M Ỏ VÀ XÂY D Ự NG CÔNG TRÌNH NG Ầ M ROADHEADER APPLICATIONS IN MINING AND TUNNELING INDUSTRIES By: H Copur 1 , L Ozdemir 2 , và J Rostami 3 1 Sinh viên đ ã t ố t nghi ệ p, 2 Giám đố c và Giáo s ư , và 3 Phó Giáo s ư Vi ệ n C ơ h ọ c Trái đấ t, Tr ườ ng Đạ i h ọ c M ỏ Colorado, Golden, Colorado, 80401 Biên d ị ch: KS Ph ạ m Ti ế n V ũ Phòng Công ngh ệ Xây d ự ng Công trình Ng ầ m và M ỏ , Vi ệ n Khoa h ọ c Công ngh ệ M ỏ Mobile: 0904 330 130 Tel: (04) 864 5256 Fax: (04) 8641564 Email: phamtienvu@gmail com URL: http://phamtienvu googlepages com/ ABSTRACT Roadheaders offer a unique capability and flexibility for excavation of soft to medium strength rock formations, therefore, are widely used in underground mining and tunneling operations A critical issue in successful roadheader application in the ability to develop accurate and reliable estimates of machine production capacity and the associated bit costs This paper presents and disscusses the recent work completed at the Earth Mechanics Institute of Colorado School of Mines on the use of historical data for use as a performance predictor model The model is based on extensive field data collected from different roadheader operations in a wide variety of geologic formations The paper also disscusses the development of this operations devired to estimate roadheader cutting rates and bit consumption TÓM T Ắ T Combai đ em l ạ i kh ả n ă ng và tính linh độ ng độ c nh ấ t cho khai đ ào trong đ á m ề m và c ứ ng trung bình Vì th ế , nó đượ c ứ ng d ụ ng r ộ ng rãi trong các công trình ng ầ m trong m ỏ c ũ ng nh ư dân d ụ ng M ộ t v ấ n đề đ ang đượ c tranh cãi là vi ệ c ứ ng d ụ ng m ộ t cách thích h ợ p kh ả n ă ng c ủ a combai và chi phí tiêu hao r ă ng c ắ t c ủ a nó trong khai đ ào các công trình ng ầ m Bài vi ế t này gi ớ i thi ệ u và th ả o lu ậ n nh ữ ng nghiên c ứ u đ ã đượ c th ự c hi ệ n b ở i Vi ệ n C ơ h ọ c trái đấ t tr ự c thu ộ c Đạ i h ọ c M ỏ Colorado, trong vi ệ c s ử d ụ ng các d ữ li ệ u l ị ch s ử v ề m ộ t mô hình d ự báo hi ệ u su ấ t Mô hình đượ c thành l ậ p d ự a trên tr ườ ng d ữ li ệ u m ở r ộ ng đượ c thu th ậ p t ừ s ự ho ạ t độ ng c ủ a các combai khác nhau trong các đ i ề u ki ệ n đị a ch ấ t khác nhau Bài vi ế t c ũ ng th ả o lu ậ n v ề các công th ứ c th ự c nghi ệ m d ự báo hi ệ u su ấ t đượ c rút ra t ừ s ự kh ả o sát v ề t ố c độ c ắ t c ủ a combai và s ự tiêu hao r ă ng c ắ t GI Ớ I THI Ệ U Vi ệ c s ử d ụ ng r ộ ng rãi h ơ n c ủ a các h ệ th ố ng khai đ ào c ơ gi ớ i là m ộ t xu h ướ ng nó làm t ă ng độ ng l ự c trong công nghi ệ p xây d ự ng và công nghi ệ p m ỏ nh ằ m thay th ế d ầ n d ầ n công ngh ệ khoan – n ổ mình truy ề n th ố ng làm t ă ng s ả n l ượ ng và gi ả m chi phí s ả n xu ấ t L ợ i ích h ơ n n ữ a c ủ a khai đ ào c ơ gi ớ i còn là làm t ă ng tính an toàn m ộ t cách rõ r ệ t, gi ả m b ớ t kh ố i l ượ ng công tác ch ố ng lò và chi phí nhân l ự c Các thành t ự u này đ i đ ôi v ớ i vi ệ c t ă ng n ă ng su ấ t và độ tin c ậ y c ủ a máy trong các m ỏ đ ã đượ c c ơ gi ớ i, n ơ i mà th ị tr ườ ng áp d ụ ng c ơ gi ớ i đ ang còn r ấ t r ộ ng rãi Các combai đượ c s ử d ụ ng r ộ ng rãi trong m ộ t ph ầ n các g ươ ng thi công công trình ng ầ m để đ ào đ á m ề m đế n đ á c ứ ng trung bình đặ c bi ệ t là trong đ á tr ầ m tích Chúng để đượ c s ử d ụ ng để phát tri ể n và s ả n xu ấ t trong công nghi ệ p m ỏ trong đ á m ề m (t ứ c là: các đườ ng lò v ậ n t ả i, các lò b ằ ng, vv) đặ c bi ệ t trong than, qu ặ ng và đấ t đ á evaporitic Trong xây d ự ng dân d ụ ng, ng ườ i ta s ử d ụ ng combai để đ ào các công trình ng ầ m ( đườ ng s ắ t, đườ ng giao thông, c ố ng rãnh, các công trình ng ầ m ph ụ c v ụ gi ả i trí ) trong đ i ề u ki ệ n đấ t đ á m ề m y ế u, c ũ ng nh ư trong m ở r ộ ng và ph ụ c h ồ i các c ấ u trúc công trình ng ầ m Kh ả n ă ng c ủ a chúng là có th ể khai đ ào trong b ấ t k ỳ h ộ chi ế u t ạ o nên s ự h ữ u d ụ ng c ủ a chúng trong các công trình ng ầ m dân d ụ ng và trong m ỏ , nh ữ ng n ơ i mà các ki ể u h ộ chi ế u, kích th ướ c thay đổ i đ a d ạ ng H ơ n n ữ a tính c ơ độ ng và linh ho ạ t cao, các combai đ òi h ỏ i m ộ t chi phí so v ớ i h ầ u h ế t các máy khai đ ào khác Do công su ấ t đ ông c ơ kh ấ u cao h ơ n nên tang kh ấ u nh ỏ h ơ n, chúng t ạ o ra m ộ t kh ả n ă ng c ắ t đấ t đ á c ứ ng h ơ n và có độ mài mòn cao h ơ n so v ớ i các máy cùng lo ạ i, ch ẳ ng h ạ n nh ư các máy đ ào lò liên t ụ c và các máy khoan COMBAI TRONG 50 N Ă M QUA Combai đượ c phát tri ể n r ấ t s ớ m để khai đ ào c ơ gi ớ i trong than và nó xu ấ t hi ệ n l ầ n đầ u vào nh ữ ng n ă m 1950 Ngày nay, l ĩ nh v ự c áp d ụ ng c ủ a chúng đ ã đượ c m ở r ộ ng v ượ t ra ngoài ngành khai thác m ỏ than b ở i vi ệ c t ă ng n ă ng su ấ t làm vi ệ c liên t ụ c, các s ự phát tri ể n công ngh ệ và các c ả i ti ế n thi ế t k ế S ự c ả i ti ế n chính c ủ a các combai trong nh ữ ng n ă m 1950 là tr ọ ng l ượ ng, kích th ướ c và công su ấ t đầ u kh ấ u, c ả i ti ế n thi ế t k ế c ầ n kh ấ u, ki ể u v ơ và ki ể u ch ấ t t ả i v ậ t li ệ u th ả i các s ự phát tri ể n v ề c ơ khí luy ệ n kim trong ch ế t ạ o r ă ng kh ấ u, các h ệ th ố ng đ i ệ n và th ủ y l ự c và s ự phát tri ể n m ở r ộ ng t ă ng c ườ ng t ự độ ng hóa và các tính n ă ng đ i ề u khi ể n t ừ xa T ấ t c ả nh ữ ng đ i ề u này đ ã thúc đẩ y m ạ nh m ẽ các kh ả n ă ng c ắ t, kh ả n ă ng thích ứ ng c ũ ng nh ư tu ổ i th ọ c ủ a combai Tr ọ ng l ượ ng c ủ a máy đ ã đạ t t ớ i 120 t ấ n t ạ o nên tính ổ n đị nh và v ữ ng ch ắ c h ơ n khung máy (gi ả m rung, gi ả m b ả o trì) t ừ đ ó t ạ o ra l ự c đẩ y cao h ơ n và ti ế p c ậ n đấ t đ á c ứ ng h ơ n Công su ấ t c ủ a đầ u kh ấ u đ ã đượ c t ă ng lên đ áng k ể , đạ t t ớ i 500 kW cho phép kh ả n ă ng xo ắ n m ạ nh h ơ n Các combai hi ệ n đạ i đ ã đ áp ứ ng đượ c vi ệ c c ắ t đấ t đ á trong các g ươ ng h ầ m lên t ớ i h ơ n 100 m 2 t ừ m ộ t v ị trí c ắ t B ằ ng vi ệ c thi ế t k ế b ố trí r ă ng c ắ t đầ u kh ấ u b ằ ng s ự h ỗ tr ợ c ủ a máy tính nên đ ã t ạ o ra đượ c hi ệ u qu ả cao trong các đ i ề u ki ệ n đấ t đ á Các r ă ng c ắ t đượ c phát tri ể n t ừ d ạ ng c ấ u t ạ o nêm c ắ t sang các d ạ ng r ă ng tr ụ c ầ u kh ỏ e H ệ th ố ng v ơ và v ậ n t ả i c ũ ng đượ c c ả i ti ế n để đạ t đượ c n ă ng su ấ t cao nh ấ t Bàn v ơ ch ấ t t ả i c ũ ng đượ c ch ế t ạ o v ớ i các m ả nh ghép r ờ i có th ể m ở r ộ ng t ạ o nên s ự linh ho ạ t và c ơ độ ng Các máy đượ c trang b ị thêm máy khoan neo, các thi ế t b ị x ử lý b ụ i c ũ ng đượ c trang b ị để đả m b ả o an toàn cho công nhân làm vi ệ c trong g ươ ng lò Chúng còn đượ c g ắ n thêm các thi ế t b ị đị nh h ướ ng lazer và ở m ộ t s ố máy còn đượ c g ắ n thi ế t b ị h ỗ tr ợ b ằ ng máy tính và đ i ề u khi ể n t ừ xa để t ă ng tính linh ho ạ t trong ho ạ t độ ng, t ă ng n ă ng su ấ t và hi ệ u qu ả c ủ a máy Hình 1 th ể hi ệ n m ộ t combai ki ể u c ầ n kh ấ u ngang tr ụ c hi ệ n đạ i v ớ i c ầ n kh ấ u co rút (ben) và h ệ th ố ng khoan neo Hình 1 M ộ t combai v ớ i đầ u c ắ t ngang tr ụ c (Voest Alpine) Tính c ơ độ ng, tính linh ho ạ t và kh ả n ă ng khai thác đượ c l ự a ch ọ n c ấ u thành nhi ề u thành t ự u ứ ng d ụ ng quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a combai t ạ o nên chi phí khai đ ào hi ệ u qu ả Tính c ơ độ ng có ngh ĩ a là d ễ dàng di chuy ể n t ừ v ị trí g ươ ng này đế n g ươ ng khác trong m ở r ộ ng và s ả n xu ấ t c ủ a m ỏ trong ngày, ch ẳ ng h ạ n v ớ i các h ộ chi ế u g ươ ng lò khác nhau (lò ti ế t di ệ n móng ng ự a, lò ti ế t di ệ n ch ữ nh ậ t ), kích th ướ c m ặ t c ắ t ngang, độ nghiêng (lên t ớ i 20, đ ôi khi là 30 độ ) và bán kính quay (có th ể t ạ o ra đườ ng lò quay g ầ n nh ư là vuông góc 90 độ ) S ự l ự a ch ọ n ph ả i đ áp ứ ng đượ c kh ả n ă ng khai đ ào ở nh ữ ng ph ầ n khác nhau c ủ a h ỗ n h ợ p g ươ ng n ơ i mà các thân qu ặ ng có th ể b ị phân tán ở nhi ề u v ị trí nh ằ m gi ả m b ớ t lao độ ng th ủ công và t ố i thi ể u hóa kh ố i l ượ ng b ị hao phí b ở i lao độ ng chân tay c ả trong đ óng góp và c ả i thi ệ n n ă ng su ấ t T ừ khi các combai tr ở thành các máy làm vi ệ c trong g ươ ng lò c ụ c b ộ , các g ươ ng lò b ắ t đầ u s ử d ụ ng chúng vì th ế đầ u kh ấ u có th ể ch ấ p nh ậ n và thay đổ i d ễ dàng, và ch ố ng gi ữ nóc lò có th ể đượ c ti ế n hành ngay sát g ươ ng lò H ơ n n ữ a, t ố c độ n ă ng su ấ t cao trong các đ i ề u ki ệ n đấ t đ á thích h ợ p, tính an toàn đượ c c ả i thi ệ n, gi ả m v ớ i ch ố ng gi ữ và yêu c ầ u v ề thông gió, và k ế t qu ả cu ố i cùng là gi ả m b ớ t chi phí khai đ ào, đ ó chính là thành t ự u c ủ a các máy combai Kh ả n ă ng c ắ t đ á c ứ ng c ủ a combai là nhân t ố gi ớ i h ạ n quan tr ọ ng nh ấ t ả nh h ưở ng đế n kh ả n ă ng ứ ng d ụ ng c ủ a chúng Nó h ầ u nh ư ph ụ thu ộ c vào kh ả n ă ng ch ị u đự ng c ủ a r ă ng c ắ t trong đ á r ắ n c ứ ng, và đ á có độ mài mòn cao Ngày nay, các com bai h ạ ng n ặ ng có th ể kh ấ u hi ệ u qu ả trong h ầ u h ế t các lo ạ i đ i ề u ki ệ n đấ t đ á có c ườ ng độ kháng nén không gi ớ i h ạ n lên t ớ i 100 MPa (~14 5000 psi) và đấ t đ á c ứ ng t ớ i 160 MPa (~23 000) n ế u các v ế t n ứ t hay các m ặ t liên k ế t thu ậ n l ợ i v ớ i ch ỉ s ố RQD th ấ p T ă ng t ầ n s ố xu ấ t hi ệ n c ủ a các v ế t n ứ t hay hay đấ t đ á y ế u s ẽ làm cho đấ t đ á tr ở lên d ễ khai đ ào h ơ n b ằ ng vi ệ c ch ỉ bóc tác các m ả nh đấ t đ á ho ặ c c ắ t nó ra kh ỏ i kh ố i thay b ằ ng vi ệ c c ắ t thông th ườ ng khác N ế u đấ t đ á có độ mài mòn r ấ t cao, hay t ố c độ tiêu hao r ă ng c ắ t l ớ n h ơ n 1 r ă ng/m 3 đấ t đ á, thì s ự khai đ ào b ằ ng combai tr ở lên không kinh t ế do đ ó ph ả i thay th ế liên t ụ c và đ i đ ôi v ớ i nó là vi ệ c làm t ă ng độ rung và chi phí b ả o d ưỡ ng cho máy Nhi ề u n ỗ l ự c đ áng k ể đ ã đượ c th ự c hi ệ n t ỏ ng vòng nhiêu n ă m qua trong vi ệ c làm t ă ng kh ả n ă ng đ áp ứ ng c ủ a combai đ ào trong đ á c ứ ng H ầ u h ế t các n ỗ l ự c này đ ã chú tr ọ ng vào vi ệ c thay đổ i c ấ u trúc c ủ a máy combai, ch ẳ ng h ạ n nh ư : t ă ng tr ọ ng l ượ ng c ủ a máy, t ă ng độ c ứ ng v ữ ng c ủ a khung và t ă ng công su ấ t c ủ a độ ng c ơ đầ u kh ấ u Các th ử nghi ệ m trên các l ĩ nh v ự c m ở r ộ ng c ủ a máy đ ã ch ỉ ra r ằ ng công c ụ c ắ t là m ộ t n ơ i y ế u nh ấ t trong khai đ ào đ á c ứ ng Tr ừ khi có m ộ t s ự c ả i thi ệ n m ạ nh m ẽ trong nâng cao tu ổ i th ọ c ủ a r ă ng c ắ t, th ự c th ậ t c ủ a vi ệ c c ắ t đ á c ứ ng v ẫ n còn là m ộ t l ĩ nh v ự c xa v ớ i trong kh ả n ă ng c ủ a combai Vi ệ n C ơ h ọ c Trái đấ t (EMI) thu ộ c Đạ i h ọ c M ỏ Colorado đ ã phát tri ể n m ộ t công ngh ệ r ă ng c ắ t Đĩ a c ắ t c ắ t nh ỏ (Mini-Disc Cutter) để th ự c hi ệ n vi ệ c đư a đĩ a c ắ t v ớ i kh ả n ă ng c ắ t đ á c ứ ng vào trong máy combai, t ươ ng ứ ng v ớ i các lo ạ i máy khai đ ào c ơ gi ớ i khác (Ozdemir và nnk, 1995) Các th ử nghi ệ m trong phòng thí nghi ệ m v ớ i các đầ u c ắ t ngang tr ụ c tiêu chu ẩ n đ ã ch ỉ ra r ằ ng các Đĩ a c ắ t nh ỏ có th ể làm t ă ng kh ả n ă ng c ủ a combai khai đ ào trong đ á r ắ n c ứ ng s ẽ đ em l ạ i hi ệ u qu ả gi ả m chi phí thay th ế r ă ng c ắ t và gi ả m th ờ i gian ng ư ng tr ệ Công ngh ệ c ắ t m ớ i này h ứ a h ẹ n cho s ự áp d ụ ng combai v ớ i kh ả n ă ng kinh t ế cho vi ệ c khai đ ào trong đ á c ứ ng H ơ n n ữ a, vi ệ c s ử d ụ ng các đĩ a c ắ t nh ỏ mà tang c ắ t c ủ a máy đ ã đượ c EMI phát tri ể n để ứ ng d ụ ng khai đ ào đ á c ứ ng M ộ t hình ả nh v ề c ủ a tang c ắ t c ủ a EMI trong th ử nghi ệ m trong phòng thí nghi ệ m tiêu chu ẩ n đượ c th ể hi ệ n ở hình 2 Hình 2 Đầ u kh ấ u Drum Miner C Ơ S Ở D Ữ LI Ệ U V Ề HI Ệ U SU Ấ T HI Ệ N TR ƯỜ NG Vi ệ c d ự báo hi ệ u su ấ t là m ộ t nhân t ố quant tr ọ ng trong vi ệ c áp d ụ ng combai thành công Vi ệ c này thông th ườ ng đ i đ ôi v ớ i l ự a ch ọ n máy N ă ng su ấ t và s ự kh ả o sát chi phí r ă ng c ắ t S ự áp d ụ ng thành công c ủ a công ngh ệ combai trong khai đ ào các công trình m ỏ khi ế n cho s ự đ ánh giá đ úng đắ n và xác th ự c đượ c phát tri ể n để đ áp ứ ng n ă ng su ấ t và đ i theo nó là các chi phí r ă ng c ắ t H ơ n n ữ a, v ấ n đề thi ế t k ế r ă ng c ắ t là h ế t s ứ c quan tr ọ ng và s ự b ố trí r ă ng trên đầ u kh ấ u là ph ả i đượ c nhìn nh ậ n theo đ i ề u ki ệ n c ủ a đ á khi g ặ p ph ả i trong quá trình khai đ ào S ự d ự báo tr ướ c hi ệ u su ấ t bao g ồ m hành độ ng đ ánh giá t ố c độ c ắ t t ứ c th ờ i, t ố c độ tiêu hao r ă ng c ắ t và kh ả n ă ng s ử d ụ ng máy trong nh ữ ng vùng có đ i ề u ki ệ n đị a ch ấ t khác nhau T ố c độ c ắ t t ứ c th ờ i (ICR) là n ă ng su ấ t th ự c t ế trong quá trình c ắ t (t ấ n hay m 3 /h) T ố c độ tiêu hao r ă ng c ắ t là s ố l ượ ng r ă ng c ắ t ph ả i thay th ế trong m ộ t đơ n v ị th ể tích hay tr ọ ng l ượ ng đấ t đ á khai đ ào (r ă ng/m 3 hay t ấ n) Kh ả n ă ng s ử d ụ ng máy là ph ầ n tr ă m th ờ i gian s ử d ụ ng để khai đ ào công trình Vi ệ n C ơ h ọ c Trái đấ t thu ộ c Đạ i h ọ c M ỏ Colorado h ợ p tác v ớ i Phòng Công trình M ỏ c ủ a Đạ i h ọ c K ỹ thu ậ t Istanbul đ ã cho ra đờ i m ộ t c ơ s ở d ữ li ệ u m ở r ộ ng liên quan đế n hi ệ u su ấ t c ủ a combai v ớ i ch ủ th ể c ủ a mô hình kinh nghi ệ m phát tri ể n để d ự báo chính xác đ áng tin c ậ y hi ệ u su ấ t combai C ơ s ơ d ữ li ệ u bao g ồ m d ữ li ệ u th ự c đị a t ừ s ố nhi ề u công trình xây d ự ng dân d ụ ng và m ỏ trên th ế gi ớ i và bao g ồ m đ a d ạ ng các máy combai và đ a d ạ ng các đ i ề u ki ệ n đị a ch ấ t khác nhau Các ph ươ ng pháp d ự báo hi ệ u su ấ t kinh nghi ệ m ch ủ y ế u d ự a trên kinh nghi ệ m đ ã qua và s ự gi ả i thích theo ph ươ ng pháp th ố ng kê c ủ a các tr ườ ng h ợ p đ ã đượ c ghi nh ậ n tr ướ c đ ó trong l ị ch s ử Để thu đượ c d ữ li ệ u hi ệ n tr ườ ng theo yêu c ầ u trong đị nh d ạ ng có ngh ĩ a và s ử d ụ ng đượ c, m ộ t b ả n s ư u t ậ p d ữ li ệ u đượ c chu ẩ n b ị để g ử i t ớ i m ộ t nhà đầ u t ư , nhà th ầ u, ch ủ đầ u t ư , các đơ n v ị t ư v ấ n và nhà s ả n xu ấ t combai H ơ n n ữ a, d ữ li ệ u đượ c thu đượ c t ừ tài li ệ u s ẵ n có trong hi ệ u su ấ t c ủ a combai và thông qua các cu ộ c kh ả o sát t ừ th ự c t ế s ử d ụ ng Nh ữ ng c ố g ắ ng s ư u t ậ p d ữ li ệ u này hi ệ n v ẫ n còn đ ang ti ế p t ụ c đượ c th ự c hi ệ n C ơ s ở d ữ li ệ u bao g ồ m 6 ch ủ m ụ c thông tin, nh ư th ể hi ệ n trong b ả ng I Các thông s ố đị a ch ấ t v ề c ơ s ở d ữ li ệ u nói chung bao g ồ m các tính ch ấ t c ủ a kh ố i đ á và đ á nguyên kh ố i Đ i ề u quan tr ọ ng và thích h ợ p nh ấ t c ủ a các tính ch ấ t kh ố i đ á trong c ơ s ở d ữ li ệ u bao g ồ m ch ỉ s ố RQD, độ dày phân l ớ p, ph ươ ng và góc d ố c c ủ a t ệ p khe n ứ t, các đ i ề u ki ệ n v ề n ướ c Các tính ch ấ t c ủ a đ á nguyên kh ố i là c ườ ng độ kháng nén d ọ c tr ụ c, c ườ ng độ kháng kéo, hàm l ượ ng quartz, độ m ị n và độ mài mòn C ấ u trúc đấ t đ á đượ c phân thành các vùng riêng bi ệ t để t ố i thi ể u hóa độ rung trong d ữ li ệ u hi ệ u su ấ t máy để đ em l ạ i s ự phân tích v ớ i độ chính xác cao h ơ n Đ i ề u này c ũ ng làm đơ n gi ả n hóa s ự phân lo ạ i các tính ch ấ t cho m ỗ i vùng và đ ánh giá d ữ li ệ u hi ệ u su ấ t th ự c đị a Các thông s ố chính c ủ a combai bao g ồ m lo ạ i máy (lo ạ i bánh xích, lo ạ i khiên đ ào), tr ọ ng l ượ ng máy, lo ạ i đầ u c ắ t (d ọ c tr ụ c, ngang tr ụ c), công su ấ t đầ u kh ấ u, thi ế t k ế r ă ng c ắ t, lo ạ i c ầ n kh ấ u ( đơ n, kép, do du ỗ i, kh ớ p n ố i) và thi ế t b ị đ i kèm (ví d ụ : b ộ hãm, c ấ u hình t ự độ ng, lazer d ẫ n h ướ ng, làm mát r ă ng c ắ t và d ậ p b ụ i b ở i tia n ướ c, vv) Thông th ườ ng các thông s ố ho ạ t độ ng c ủ a máy đ ào ả nh h ưở ng đế n hi ệ u su ấ t c ủ a máy khai đ ào thông qua quá trình s ử d ụ ng máy Các thông s ố ho ạ t độ ng quan tr ọ ng nh ấ t bao g ồ m: ch ố ng gi ữ , h ệ th ố ng h ệ th ố ng h ỗ tr ợ (v ậ n t ả i, các đườ ng ố ng s ử d ụ ng, ngu ồ n cung c ấ p, công tác đ o đạ c ), x ử lý n ề n móng (thoát n ướ c, b ơ m v ữ a, đ óng b ă ng ), nhân công (s ẵ n có, chuyên nghi ệ p) và t ổ ch ứ c s ả n xu ấ t (qu ả n lý, gi ờ ca/kíp, ngu ồ n v ậ t li ệ u ) B ả ng I Phân lo ạ i thông tin trong C ơ s ở d ữ li ệ u NHÓM THÔNG TIN CHI TI Ế T THÔNG TIN Thông tin chung Lo ạ i/m ụ c đ ích khai đ ào (lò b ằ ng, lò đườ ng s ắ t, c ố ng rãnh, lò trong m ỏ than ), nhà th ầ u, ch ủ đầ u t ư , t ư v ấ n, đị a đ i ể m, ngày kh ở i công và hoàn công Thông tin combai Nhà s ả n xu ấ t, tình tr ạ ng combai (m ớ i, tân tr ạ ng l ạ i, t ậ n d ụ ng), phân lo ạ i combai, tr ọ ng l ượ ng máy, công su ấ t và đườ ng kính đầ u kh ấ u, s ố l ượ ng và ki ể u r ă ng c ắ t, các thi ế t b ị đ i kèm ( đ i ề u khi ể n t ự độ ng, xé n ướ c, thi ế t b ị hãm an toàn ) Thông tin v ề ho ạ t độ ng và k ỹ thu ậ t Chi ề u dài khai đ ào, độ s ố và góc nghiêng, kích th ướ c h ộ chi ế u công trình, kinh nghi ệ m đ i ề u khi ể n, trình t ự kh ấ u g ươ ng, gi ờ làm vi ệ c trong tu ầ n và trong ngày, h ệ th ố ng đổ th ả i, h ệ th ố ng ch ố ng gi ữ công trình Thông tin v ề kh ố i đ á trong m ỗ i vùng đấ t đ á Ngu ồ n g ố c đị a ch ấ t, s ố l ượ ng và phân lo ạ i vùng đị a ch ấ t, đ i ề u ki ệ n n ướ c, phân lo ạ i kh ố i đ á, RQD, tính ch ấ t phân l ớ p, tính ch ấ t t ệ p khe n ứ t (h ướ ng, kho ả ng cách, độ nhám, ch ấ t l ấ p nhét) Thông tin v ề đ á nguyên kh ố i trong m ỗ i vùng đấ t đ á Tính ch ấ t c ắ t đ á, c ườ ng độ kháng kéo và d ọ c tr ụ c, mô đ un đ àn h ồ i, độ c ứ ng b ề m ặ t, ki ế n trúc đ á ( độ r ỗ ng, hàm l ượ ng h ạ t khoáng/quartz và c ỡ h ạ t, vi n ứ t n ẻ ), độ mài mòn Các ghi chép v ề hi ệ u su ấ t cho m ỗ i vùng đấ t đ á T ố c độ c ắ t, t ố c độ tiêu th ụ r ă ng/l ợ i c ắ t, kh ả n ă ng s ử d ụ ng c ủ a combai và tình tr ạ ng có th ể mua, tiêu th ụ n ă ng l ượ ng, t ố c độ ti ế n g ươ ng l ớ n nh ấ t và trung bình, (trên ca/ngày/tu ầ n/tháng), s ự c ố chính trong khi ho ạ t độ ng khai đ ào, th ờ i gian ch ế t ướ c l ượ ng (th ờ i gian combai d ừ ng, d ừ ng vì h ệ th ố ng h ỗ tr ợ , d ừ ng để ch ố ng/x ử lý n ề n móng ) D Ự Đ OÁN HI Ệ U SU Ấ T Trong m ộ t nghiên c ứ u tr ướ c đ ây (Copur và nnk, 1997), trong đ ó đề xu ấ t r ằ ng thay vì phát tri ể n m ộ t mô hình d ự báo hi ệ u su ấ t ph ổ thông, các mô hình riêng l ẻ cho các đ i ề u ki ệ n máy và đị a ch ấ t khác nhau (b ằ ng s ự phân lo ạ i và tiêu chu ẩ n hóa sau c ủ a d ữ li ệ u th ự c đị a) s ẽ đượ c phát tri ể n để c ả i thi ệ n độ chính xác và tin c ậ y các d ự báo hi ệ u su ấ t Ph ươ ng pháp lu ậ n này đượ c đư a ra và th ả o lu ậ n trong bài vi ế t này là T ố c độ c ắ t t ứ c th ờ i (ICR – Instantaneous Cutting Rate) và T ố c độ Tiêu th ụ R ă ng c ắ t (BCR – Bit Cutting Consumption) Combai và các ki ể u đầ u c ắ t, ngu ồ n g ố c kh ố i đ á và lo ạ i đ á đượ c s ử d ụ ng nh ư các thông s ố phân lo ạ i ch ủ y ế u C ườ ng độ kháng nén d ọ c tr ụ c (UCS – Uniaxial Compressive Strength), công su ấ t đầ u c ắ t (P-cutterhead power), tr ọ ng l ượ ng combai (W-Weight) và đườ ng kính đầ u c ắ t (CHD-Cutterhead Diameter) đượ c s ử d ụ ng nh ư là các thông s ố để tiêu chu ẩ n hóa S ự bi ế n thiên c ủ a ICR v ớ i UCS, d ự a trên d ữ li ệ u hi ệ u su ấ t th ự c đị a, đượ c th ể hi ệ n trong hình 3 cho t ấ t c ả các đ i ề u ki ệ n đị a ch ấ t g ặ p ph ả i trong t ấ t c ả các lo ạ i combai Đ úng nh ư trông đợ i, d ữ li ệ u ch ỉ ra s ự phân tán đ áng k ể v ớ i h ệ s ố t ươ ng quan th ấ p, không cho ph ươ ng nào để gi ả m đ i gi ữ a UCS và ICR Sau khi dàn x ế p d ữ li ệ u cho combai đầ u c ắ t ngang tr ụ c trong đấ t đ á tr ầ m tích, s ự phân tán tr ở lên nh ỏ h ơ n, nh ư th ể hi ệ n trong hình 4 H ệ s ố t ươ ng quan v ẫ n còn th ấ p, để ng ă n ng ừ a, m ộ t bi ể u th ứ c chính xác c ủ a b ấ t k ỳ m ố i liên h ệ gi ữ a hai bi ế n T ừ ICR là t ươ ng ứ ng tr ự c ti ế p gi ữ a P và W và t ươ ng ứ ng ngh ị ch đả o v ớ i UCS, sau khi tiêu chu ẩ n hóa b ằ ng (P/UCS) (W/UCS) và (P x W/UCS), s ự t ươ ng x ứ ng đượ c c ả i thi ệ n đ áng k ể , nh ư th ể hi ệ n trong hình 5, 6 và 7 Nh ư trong hình, s ự phân lo ạ i và s ự tiêu chu ẩ n hóa v ề sau đ ã đượ c đư a ra vài khuynh h ướ ng đị nh ngh ĩ a trong d ữ li ệ u Nh ư ng m ố i liên h ệ v ẫ n ch ư a đủ độ chính xác M ộ t b ướ c khác c ủ a quá trình phân lo ạ i là áp đặ t lên d ữ li ệ u trong các đ i ề u ki ệ n c ủ a nhóm đ á Nó phân b ố s ự c ả i thi ệ n xa h ơ n trong m ố i liên h ệ , nh ư th ể hi ệ n trong hình 8 cho đấ t đ á evaporatic Trong tr ườ ng h ợ p này, công th ứ c d ự báo đượ c bi ể u th ị nh ư sau: ) ( 0023 , 0 511 , 27 RPI e ICR × × = UCS W P RPI / × = Trong đ ó: ICR = T ố c độ c ắ t t ứ c th ờ i, m 3 /h RPI = Ch ỉ s ố xuyên c ắ t c ủ a combai UCS = C ườ ng độ kháng nén đơ n tr ụ c, MPa W = Tr ọ ng l ượ ng combai, t ấ n P = Công su ấ t độ ng c ơ đầ u kh ấ u, kW e = C ơ s ố c ủ a hàm lô-ga-rít t ự nhiên Công th ứ c này có th ể đượ c s ử d ụ ng để d ự báo ICR cho khai đ ào trong đ á evaporitic v ớ i các combai đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Nó c ũ ng có th ể đượ c s ử d ụ ng để ch ọ n các combai để khai đ ào trong đ á evaporitic để đạ t đượ c n ă ng su ấ t theo mong mu ố n Vi ệ c m ở r ộ ng c ơ s ở d ữ li ệ u và vi ệ c th ự c thi các thông s ố tiêu chu ẩ n hóa khác có th ể làm t ă ng h ơ n n ữ a độ chính xác c ủ a m ố i t ươ ng quan này Công vi ệ c này hi ệ n nay đ ang đượ c th ự c hi ệ n Ph ả i nh ớ rõ r ằ ng đấ t đ á evaporitic thông th ườ ng là d ạ ng kh ố i mà không có s ự xu ấ t hi ệ n c ủ a các v ế t n ứ t, khe n ứ t, b ấ t k ỳ m ộ t thông s ố nào, ch ẳ ng h ạ n nh ư RQD đượ c đề c ậ p t ớ i trong quá trình tiêu chu ẩ n hóa T ấ t nhiên, c ấ u trúc s ắ p x ế p đấ t đ á luôn phô bày l ượ ng l ớ n các v ế t n ứ t hay n ứ t n ẻ , ch ỉ s ố RQD đượ c cho là đ óng m ộ t vai trò chính y ế u trong hi ệ u su ấ t c ủ a máy, nh ư các th ả o lu ậ n tr ướ c đ ây Hình 3 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a ICR và UCS cho t ấ t c ả các đ i ề u ki ệ n đấ t đ á và t ấ t c ả các lo ạ i combai Hình 4 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a ICR và UCS trong đ á tr ầ m tích v ớ i các combai ki ể u đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Hình 5 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a ICR và P/UCS trong đấ t đ á tr ầ m tích v ớ i các combai ki ể u đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Hình 6 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a ICR và W/UCS trong đấ t đ á tr ầ m tích v ớ i combai ki ể u đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Hình 7 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a ICR và (PxW/UCS) cho đấ t đ á tr ầ m tích v ớ i các combai đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Hình 8 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a ICR và RPI cho đấ t đ á Evaporitic và các combai đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Ph ươ ng pháp lu ậ n t ươ ng t ự c ũ ng đượ c áp đặ t lên s ự d ự báo t ố c độ tiêu th ụ r ă ng c ắ t (BCR) S ự bi ế n thiên gi ữ a BCR và UCS đượ c th ể hi ệ n trong hình 9 Sau khi phân m ụ c d ữ li ệ u c ủ a combai đầ u kh ấ u ngang tr ụ c trong đấ t đ á tr ầ m tích và tiêu chu ẩ n hóa b ằ ng UCS, tr ọ ng l ượ ng máy và công su ấ t độ ng c ơ đầ u kh ấ u, m ố i liên h ệ đượ c th ể hi ệ n s ự c ả i thi ệ n đ áng k ể nh ư trong hình 10 T ừ đ ó các đườ ng kính c ủ a đầ u kh ấ u l ớ n h ơ n đượ c s ử d ụ ng cho đ á m ề m h ơ n và độ mài mòn nh ỏ h ơ n, đườ ng kính c ủ a đầ u kh ấ u c ũ ng đượ c dùng nh ư là m ộ t thông s ố tiêu chu ẩ n hóa N ế u tiêu chu ẩ n hóa v ớ i thông s ố đườ ng kính, m ộ t m ố i liên h ệ t ố t h ơ n s ẽ đượ c th ể hi ệ n nh ư trong hình 11 Trong tr ườ ng h ợ p này, công th ứ c d ự báo là nh ư sau: ) ( 1769 , 6 ) ( 06 , 897 2 RCI RCI BCR + = ) /( CHD W P UCS RCI = Trong đ ó: BRC = T ố c độ tiêu th ụ r ă ng c ắ t, r ă ng/m 3 RCI = Ch ỉ s ố tiêu th ụ đầ u kh ấ u UCS = C ườ ng độ kháng nén đơ n tr ụ c, MPa W = Tr ọ ng l ượ ng combai, t ấ n P = Công su ấ t độ ng c ơ đầ u kh ấ u, kW CHD = Đườ ng kính đầ u kh ấ u, m Độ chính xác c ủ a công th ứ c d ự báo có th ể đượ c t ă ng lên l ớ n h ơ n n ế u m ộ t vài thông s ố , ch ẳ ng h ạ n nh ư : hàm l ượ ng quartz trong đấ t đ á, c ỡ h ạ t đượ c phân h ạ ng và tiêu chu ẩ n hóa d ữ li ệ u Hình 9 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a BCR và UCS trong t ấ t c ả các đ i ề u ki ệ n đị a ch ấ t cho t ấ t c ả các lo ạ i combai Hình 10 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a BCR và UCS/(PxW) cho đấ t đ á tr ầ m tích v ớ i các combai đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Hình 11 Bi ể u đồ t ươ ng quan gi ữ a BCR và RCI cho đấ t đ á tr ầ m tích và các combai đầ u kh ấ u ngang tr ụ c Các k ế t qu ả cho đế n nay đ ã ch ỉ ra r ằ ng ph ươ ng pháp lu ậ n áp d ụ ng phân lo ạ i và tiêu chu ẩ n hóa c ơ s ở phù h ợ p này để đư a ra các công th ứ c d ự tính v ớ i độ chính xác l ớ n h ớ n Vào th ờ i đ i ể m hi ệ n t ạ i, công vi ệ c đ ang đượ c th ự c hi ệ n để ph ố i h ợ p các thông s ố b ổ xung (vd: hàm l ượ ng quartz) vào công th ứ c đ ã phát tri ể n để c ả i thi ệ n độ chính xác và ph ạ m vi c ủ a kh ả n ă ng áp d ụ ng K Ế T LU Ậ N Vi ệ c phân tích và ướ c l ượ ng d ữ li ệ u biên so ạ n cho c ơ s ở d ữ li ệ u hi ệ u su ấ t th ự c đị a c ủ a combai đ ã mang l ạ i nh ữ ng thành công, m ộ t t ậ p h ợ p các công th ứ c đ ã đượ c s ử d ụ ng d ể d ự báo kh ả n ă ng c ắ t t ứ c th ờ i (ICR) và t ố c độ tiêu hao r ă ng c ắ t (BCR) cho combai M ộ t m ố i liên h ệ m ậ t thi ế t đượ c tìm ra gi ữ a hai thông s ố v ớ i công su ấ t độ ng c ơ đầ u kh ấ u (P), tr ọ ng l ượ ng combai (W) c ũ ng nh ư c ườ ng độ kháng nén đơ n tr ụ c c ủ a đấ t đ á (UCS) Các công th ứ c đượ c phát tri ể n v ớ i các thông s ố này là công th ứ c v ề P, W à UCS Các công th ứ c này đượ c tìm ra ch ủ y ế u áp d ụ ng cho đấ t đ á m ề m ngu ồ n g ố c evaporitic S ự phân tích hi ệ n nay đ ang đượ c m ở r ộ ng sang đấ t đ á r ắ n c ứ ng có ho ặ c không có v ế t n ứ t, khe n ứ t s ẽ làm cho các công th ứ c tr ở lên đ a d ạ ng và ph ổ bi ế n h ơ n Trong đấ t đ á n ứ t n ẻ , giá tr ị RQD s ẽ đượ c s ử d ụ ng nh ư là m ộ t đơ n v ị đ o l ườ ng v ề phân lo ạ i kh ố i đ á đố i trên quan đ i ể m kh ả n ă ng c ắ t c ủ a combai V ớ i các n ỗ l ự c hi ệ n nay ch ắ c ch ắ n vi ệ c thi ế t l ậ p công th ứ c v ề các mô hình d ự báo hi ệ u su ấ t c ủ a combai tr ở lên ngày càng chính xác h ơ n, chúng có th ể đượ c dùng để tính toán trong các lo ạ i đấ t đ á khác nhau nh ữ ng n ơ i mà combai có th ể ho ạ t độ ng đ em l ạ i hi ệ u qu ả kinh t ế TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O 1) Bilgin, N , Yazici, S , and Eskikaya, S , 1996, “A model to predict the performance pf roadheaders and impact hammers in tunnel drivages,” Int Eurock ’96 Symp , 2-5 Sep , Torino 2) Copur, H , Rostami, J , Ozdemir, L , and Bilgin, N , 1997, “Studies of Performance Prediction of Roadheaders Based on Field Date in Mining and Tunneling Projects,” Int, 4 th Mine Mechanization and Atutomation Symp , Bristane, Australia, pp 4 A1-4A7 3) Neil, D M , Rostami, J , Ozdemir, L , and Gertsch, R , 1994, “Construction and estimate techniques for underground development and production using roadheaders,” SME Annual Meeting , Phoenix, Arizona 4) Ozdemir, L, Rostami, J , and Neil, D M , 1995, “Roadheaders Development for Hard Rock Mining,” SME Annual Meeting , March 6-9, Denver, Colorado

ỨNG DỤNG COMBAI TRONG CÔNG NGHIỆP MỎ

VÀ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM

ROADHEADER APPLICATIONS IN MINING AND TUNNELING INDUSTRIES

By:

H Copur 1 , L Ozdemir 2 , và J Rostami 3

1 Sinh viên đã tốt nghiệp, 2 Giám đốc và Giáo sư, và 3 Phó Giáo sư

Viện Cơ học Trái đất, Trường Đại học Mỏ Colorado, Golden, Colorado, 80401

Biên dịch:

KS Phạm Tiến Vũ

Phòng Công nghệ Xây dựng Công trình Ngầm và Mỏ, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ

Mobile: 0904 330 130

Tel: (04) 864 5256

Fax: (04) 8641564

Email: phamtienvu@gmail.com

URL: http://phamtienvu.googlepages.com/

ABSTRACT

Roadheaders offer a unique capability and flexibility for excavation of soft to medium strength rock formations, therefore, are widely used in underground mining and tunneling operations A critical issue in successful roadheader application in the ability to develop accurate and reliable estimates of machine production capacity and the associated bit costs This paper presents and disscusses the recent work completed at the Earth Mechanics Institute of Colorado School of Mines on the use of historical data for use as a performance predictor model The model is based on extensive field data collected from different roadheader operations in a wide variety of geologic formations The paper also disscusses the development of this operations devired to estimate roadheader cutting rates and bit consumption

TÓM TẮT

Combai đem lại khả năng và tính linh động độc nhất cho khai đào trong đá mềm và cứng trung bình Vì thế, nó được ứng dụng rộng rãi trong các công trình ngầm trong mỏ cũng như dân dụng Một vấn đề đang được tranh cãi là việc ứng dụng một cách thích hợp khả năng của combai

và chi phí tiêu hao răng cắt của nó trong khai đào các công trình ngầm Bài viết này giới thiệu

và thảo luận những nghiên cứu đã được thực hiện bởi Viện Cơ học trái đất trực thuộc Đại học

Mỏ Colorado, trong việc sử dụng các dữ liệu lịch sử về một mô hình dự báo hiệu suất Mô hình được thành lập dựa trên trường dữ liệu mở rộng được thu thập từ sự hoạt động của các combai khác nhau trong các điều kiện địa chất khác nhau Bài viết cũng thảo luận về các công thức thực nghiệm dự báo hiệu suất được rút ra từ sự khảo sát về tốc độ cắt của combai và sự tiêu hao răng cắt

GIỚI THIỆU

Việc sử dụng rộng rãi hơn của các hệ thống khai đào cơ giới là một xu hướng nó làm tăng động lực trong công nghiệp xây dựng và công nghiệp mỏ nhằm thay thế dần dần công nghệ khoan –

nổ mình truyền thống làm tăng sản lượng và giảm chi phí sản xuất Lợi ích hơn nữa của khai đào

cơ giới còn là làm tăng tính an toàn một cách rõ rệt, giảm bớt khối lượng công tác chống lò và chi phí nhân lực Các thành tựu này đi đôi với việc tăng năng suất và độ tin cậy của máy trong các mỏ đã được cơ giới, nơi mà thị trường áp dụng cơ giới đang còn rất rộng rãi

Các combai được sử dụng rộng rãi trong một phần các gương thi công công trình ngầm để đào

đá mềm đến đá cứng trung bình đặc biệt là trong đá trầm tích Chúng để được sử dụng để phát triển và sản xuất trong công nghiệp mỏ trong đá mềm (tức là: các đường lò vận tải, các lò bằng, vv) đặc biệt trong than, quặng và đất đá evaporitic Trong xây dựng dân dụng, người ta sử dụng combai để đào các công trình ngầm (đường sắt, đường giao thông, cống rãnh, các công trình

ngầm phục vụ giải trí ) trong điều kiện đất đá mềm yếu, cũng như trong mở rộng và phục hồi các cấu trúc công trình ngầm Khả năng của chúng là có thể khai đào trong bất kỳ hộ chiếu tạo nên sự hữu dụng của chúng trong các công trình ngầm dân dụng và trong mỏ, những nơi mà các kiểu hộ chiếu, kích thước thay đổi đa dạng

Hơn nữa tính cơ động và linh hoạt cao, các combai đòi hỏi một chi phí so với hầu hết các máy khai đào khác Do công suất đông cơ khấu cao hơn nên tang khấu nhỏ hơn, chúng tạo ra một khả năng cắt đất đá cứng hơn và có độ mài mòn cao hơn so với các máy cùng loại, chẳng hạn như các máy đào lò liên tục và các máy khoan

COMBAI TRONG 50 NĂM QUA

Combai được phát triển rất sớm để khai đào cơ giới trong than và nó xuất hiện lần đầu vào những năm 1950 Ngày nay, lĩnh vực áp dụng của chúng đã được mở rộng vượt ra ngoài ngành khai thác mỏ than bởi việc tăng năng suất làm việc liên tục, các sự phát triển công nghệ và các cải tiến thiết kế Sự cải tiến chính của các combai trong những năm 1950 là trọng lượng, kích thước và công suất đầu khấu, cải tiến thiết kế cần khấu, kiểu vơ và kiểu chất tải vật liệu thải các

sự phát triển về cơ khí luyện kim trong chế tạo răng khấu, các hệ thống điện và thủy lực và sự phát triển mở rộng tăng cường tự động hóa và các tính năng điều khiển từ xa Tất cả những điều này đã thúc đẩy mạnh mẽ các khả năng cắt, khả năng thích ứng cũng như tuổi thọ của combai Trọng lượng của máy đã đạt tới 120 tấn tạo nên tính ổn định và vững chắc hơn khung máy (giảm rung, giảm bảo trì) từ đó tạo ra lực đẩy cao hơn và tiếp cận đất đá cứng hơn Công suất của đầu khấu đã được tăng lên đáng kể, đạt tới 500 kW cho phép khả năng xoắn mạnh hơn Các combai hiện đại đã đáp ứng được việc cắt đất đá trong các gương hầm lên tới hơn 100 m2 từ một vị trí cắt Bằng việc thiết kế bố trí răng cắt đầu khấu bằng sự hỗ trợ của máy tính nên đã tạo ra được hiệu quả cao trong các điều kiện đất đá Các răng cắt được phát triển từ dạng cấu tạo nêm cắt sang các dạng răng trụ cầu khỏe Hệ thống vơ và vận tải cũng được cải tiến để đạt được năng suất cao nhất Bàn vơ chất tải cũng được chế tạo với các mảnh ghép rời có thể mở rộng tạo nên

sự linh hoạt và cơ động Các máy được trang bị thêm máy khoan neo, các thiết bị xử lý bụi cũng được trang bị để đảm bảo an toàn cho công nhân làm việc trong gương lò Chúng còn được gắn thêm các thiết bị định hướng lazer và ở một số máy còn được gắn thiết bị hỗ trợ bằng máy tính

và điều khiển từ xa để tăng tính linh hoạt trong hoạt động, tăng năng suất và hiệu quả của máy Hình 1 thể hiện một combai kiểu cần khấu ngang trục hiện đại với cần khấu co rút (ben) và hệ thống khoan neo

Hình 1 Một combai với đầu cắt ngang trục

(Voest Alpine)

Tính cơ động, tính linh hoạt và khả năng khai thác được lựa chọn cấu thành nhiều thành tựu ứng dụng quan trọng nhất của combai tạo nên chi phí khai đào hiệu quả Tính cơ động có nghĩa là dễ dàng di chuyển từ vị trí gương này đến gương khác trong mở rộng và sản xuất của mỏ trong ngày, chẳng hạn với các hộ chiếu gương lò khác nhau (lò tiết diện móng ngựa, lò tiết diện chữ nhật ), kích thước mặt cắt ngang, độ nghiêng (lên tới 20, đôi khi là 30 độ) và bán kính quay (có thể tạo ra đường lò quay gần như là vuông góc 90 độ) Sự lựa chọn phải đáp ứng được khả năng khai đào ở những phần khác nhau của hỗn hợp gương nơi mà các thân quặng có thể bị phân tán ở nhiều vị trí nhằm giảm bớt lao động thủ công và tối thiểu hóa khối lượng bị hao phí bởi lao động chân tay cả trong đóng góp và cải thiện năng suất Từ khi các combai trở thành các máy làm việc trong gương lò cục bộ, các gương lò bắt đầu sử dụng chúng vì thế đầu khấu có thể chấp nhận và thay đổi dễ dàng, và chống giữ nóc lò có thể được tiến hành ngay sát gương lò Hơn nữa, tốc độ năng suất cao trong các điều kiện đất đá thích hợp, tính an toàn được cải thiện, giảm với chống giữ và yêu cầu về thông gió, và kết quả cuối cùng là giảm bớt chi phí khai đào, đó chính là thành tựu của các máy combai

Khả năng cắt đá cứng của combai là nhân tố giới hạn quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của chúng Nó hầu như phụ thuộc vào khả năng chịu đựng của răng cắt trong đá rắn cứng, và đá có độ mài mòn cao Ngày nay, các com bai hạng nặng có thể khấu hiệu quả trong hầu hết các loại điều kiện đất đá có cường độ kháng nén không giới hạn lên tới 100 MPa

(~14.5000 psi) và đất đá cứng tới 160 MPa (~23.000) nếu các vết nứt hay các mặt liên kết thuận lợi với chỉ số RQD thấp Tăng tần số xuất hiện của các vết nứt hay hay đất đá yếu sẽ làm cho đất

đá trở lên dễ khai đào hơn bằng việc chỉ bóc tác các mảnh đất đá hoặc cắt nó ra khỏi khối thay bằng việc cắt thông thường khác Nếu đất đá có độ mài mòn rất cao, hay tốc độ tiêu hao răng cắt lớn hơn 1 răng/m3 đất đá, thì sự khai đào bằng combai trở lên không kinh tế do đó phải thay thế liên tục và đi đôi với nó là việc làm tăng độ rung và chi phí bảo dưỡng cho máy

Nhiều nỗ lực đáng kể đã được thực hiện tỏng vòng nhiêu năm qua trong việc làm tăng khả năng đáp ứng của combai đào trong đá cứng Hầu hết các nỗ lực này đã chú trọng vào việc thay đổi cấu trúc của máy combai, chẳng hạn như: tăng trọng lượng của máy, tăng độ cứng vững của khung và tăng công suất của động cơ đầu khấu Các thử nghiệm trên các lĩnh vực mở rộng của máy đã chỉ ra rằng công cụ cắt là một nơi yếu nhất trong khai đào đá cứng Trừ khi có một sự cải thiện mạnh mẽ trong nâng cao tuổi thọ của răng cắt, thực thật của việc cắt đá cứng vẫn còn là một lĩnh vực xa với trong khả năng của combai Viện Cơ học Trái đất (EMI) thuộc Đại học Mỏ Colorado đã phát triển một công nghệ răng cắt Đĩa cắt cắt nhỏ (Mini-Disc Cutter) để thực hiện việc đưa đĩa cắt với khả năng cắt đá cứng vào trong máy combai, tương ứng với các loại máy khai đào cơ giới khác (Ozdemir và nnk, 1995) Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với các đầu cắt ngang trục tiêu chuẩn đã chỉ ra rằng các Đĩa cắt nhỏ có thể làm tăng khả năng của

combai khai đào trong đá rắn cứng sẽ đem lại hiệu quả giảm chi phí thay thế răng cắt và giảm thời gian ngưng trệ Công nghệ cắt mới này hứa hẹn cho sự áp dụng combai với khả năng kinh tế cho việc khai đào trong đá cứng Hơn nữa, việc sử dụng các đĩa cắt nhỏ mà tang cắt của máy đã được EMI phát triển để ứng dụng khai đào đá cứng Một hình ảnh về của tang cắt của EMI trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn được thể hiện ở hình 2

Hình 2 Đầu khấu Drum Miner

CƠ SỞ DỮ LIỆU VỀ HIỆU SUẤT HIỆN TRƯỜNG

Việc dự báo hiệu suất là một nhân tố quant trọng trong việc áp dụng combai thành công Việc này thông thường đi đôi với lựa chọn máy Năng suất và sự khảo sát chi phí răng cắt Sự áp dụng thành công của công nghệ combai trong khai đào các công trình mỏ khiến cho sự đánh giá đúng đắn và xác thực được phát triển để đáp ứng năng suất và đi theo nó là các chi phí răng cắt Hơn nữa, vấn đề thiết kế răng cắt là hết sức quan trọng và sự bố trí răng trên đầu khấu là phải được nhìn nhận theo điều kiện của đá khi gặp phải trong quá trình khai đào

Sự dự báo trước hiệu suất bao gồm hành động đánh giá tốc độ cắt tức thời, tốc độ tiêu hao răng cắt và khả năng sử dụng máy trong những vùng có điều kiện địa chất khác nhau Tốc độ cắt tức thời (ICR) là năng suất thực tế trong quá trình cắt (tấn hay m3 /h) Tốc độ tiêu hao răng cắt là số lượng răng cắt phải thay thế trong một đơn vị thể tích hay trọng lượng đất đá khai đào (răng/m3 hay tấn) Khả năng sử dụng máy là phần trăm thời gian sử dụng để khai đào công trình

Viện Cơ học Trái đất thuộc Đại học Mỏ Colorado hợp tác với Phòng Công trình Mỏ của Đại học

Kỹ thuật Istanbul đã cho ra đời một cơ sở dữ liệu mở rộng liên quan đến hiệu suất của combai với chủ thể của mô hình kinh nghiệm phát triển để dự báo chính xác đáng tin cậy hiệu suất combai Cơ sơ dữ liệu bao gồm dữ liệu thực địa từ số nhiều công trình xây dựng dân dụng và mỏ trên thế giới và bao gồm đa dạng các máy combai và đa dạng các điều kiện địa chất khác nhau Các phương pháp dự báo hiệu suất kinh nghiệm chủ yếu dựa trên kinh nghiệm đã qua và sự giải thích theo phương pháp thống kê của các trường hợp đã được ghi nhận trước đó trong lịch sử Để thu được dữ liệu hiện trường theo yêu cầu trong định dạng có nghĩa và sử dụng được, một bản sưu tập dữ liệu được chuẩn bị để gửi tới một nhà đầu tư, nhà thầu, chủ đầu tư, các đơn vị tư vấn

và nhà sản xuất combai Hơn nữa, dữ liệu được thu được từ tài liệu sẵn có trong hiệu suất của combai và thông qua các cuộc khảo sát từ thực tế sử dụng Những cố gắng sưu tập dữ liệu này hiện vẫn còn đang tiếp tục được thực hiện

Cơ sở dữ liệu bao gồm 6 chủ mục thông tin, như thể hiện trong bảng I Các thông số địa chất về

cơ sở dữ liệu nói chung bao gồm các tính chất của khối đá và đá nguyên khối Điều quan trọng

và thích hợp nhất của các tính chất khối đá trong cơ sở dữ liệu bao gồm chỉ số RQD, độ dày phân lớp, phương và góc dốc của tệp khe nứt, các điều kiện về nước Các tính chất của đá

nguyên khối là cường độ kháng nén dọc trục, cường độ kháng kéo, hàm lượng quartz, độ mịn và

độ mài mòn Cấu trúc đất đá được phân thành các vùng riêng biệt để tối thiểu hóa độ rung trong

dữ liệu hiệu suất máy để đem lại sự phân tích với độ chính xác cao hơn Điều này cũng làm đơn giản hóa sự phân loại các tính chất cho mỗi vùng và đánh giá dữ liệu hiệu suất thực địa

Các thông số chính của combai bao gồm loại máy (loại bánh xích, loại khiên đào), trọng lượng máy, loại đầu cắt (dọc trục, ngang trục), công suất đầu khấu, thiết kế răng cắt, loại cần khấu (đơn, kép, do duỗi, khớp nối) và thiết bị đi kèm (ví dụ: bộ hãm, cấu hình tự động, lazer dẫn hướng, làm mát răng cắt và dập bụi bởi tia nước, vv)

Thông thường các thông số hoạt động của máy đào ảnh hưởng đến hiệu suất của máy khai đào thông qua quá trình sử dụng máy Các thông số hoạt động quan trọng nhất bao gồm: chống giữ,

hệ thống hệ thống hỗ trợ (vận tải, các đường ống sử dụng, nguồn cung cấp, công tác đo đạc ),

xử lý nền móng (thoát nước, bơm vữa, đóng băng ), nhân công (sẵn có, chuyên nghiệp) và tổ chức sản xuất (quản lý, giờ ca/kíp, nguồn vật liệu )

Bảng I Phân loại thông tin trong Cơ sở dữ liệu

Thông tin chung Loại/mục đích khai đào (lò bằng, lò đường sắt, cống rãnh, lò trong mỏ than ), nhà thầu, chủ đầu tư, tư vấn,

địa điểm, ngày khởi công và hoàn công

Thông tin combai

Nhà sản xuất, tình trạng combai (mới, tân trạng lại, tận dụng), phân loại combai, trọng lượng máy, công suất và đường kính đầu khấu, số lượng và kiểu răng cắt, các thiết bị đi kèm (điều khiển tự động, xé nước, thiết bị hãm an toàn )

Thông tin về hoạt động và kỹ thuật

Chiều dài khai đào, độ số và góc nghiêng, kích thước hộ chiếu công trình, kinh nghiệm điều khiển, trình tự khấu gương, giờ làm việc trong tuần và trong ngày, hệ thống

đổ thải, hệ thống chống giữ công trình

Thông tin về khối đá trong mỗi vùng đất đá

Nguồn gốc địa chất, số lượng và phân loại vùng địa chất, điều kiện nước, phân loại khối đá, RQD, tính chất phân lớp, tính chất tệp khe nứt (hướng, khoảng cách, độ nhám, chất lấp nhét)

Thông tin về đá nguyên khối trong mỗi vùng đất đá

Tính chất cắt đá, cường độ kháng kéo và dọc trục, mô đun đàn hồi, độ cứng bề mặt, kiến trúc đá (độ rỗng, hàm lượng hạt khoáng/quartz và cỡ hạt, vi nứt nẻ ), độ mài mòn

Các ghi chép về hiệu suất cho mỗi vùng đất đá

Tốc độ cắt, tốc độ tiêu thụ răng/lợi cắt, khả năng sử dụng của combai và tình trạng có thể mua, tiêu thụ năng lượng, tốc độ tiến gương lớn nhất và trung bình, (trên ca/ngày/tuần/tháng), sự cố chính trong khi hoạt động khai đào, thời gian chết ước lượng (thời gian combai dừng, dừng vì hệ thống hỗ trợ, dừng để chống/xử lý nền móng )

DỰ ĐOÁN HIỆU SUẤT

Trong một nghiên cứu trước đây (Copur và nnk, 1997), trong đó đề xuất rằng thay vì phát triển một mô hình dự báo hiệu suất phổ thông, các mô hình riêng lẻ cho các điều kiện máy và địa chất khác nhau (bằng sự phân loại và tiêu chuẩn hóa sau của dữ liệu thực địa) sẽ được phát triển để cải thiện độ chính xác và tin cậy các dự báo hiệu suất Phương pháp luận này được đưa ra và thảo luận trong bài viết này là Tốc độ cắt tức thời (ICR – Instantaneous Cutting Rate) và Tốc độ Tiêu thụ Răng cắt (BCR – Bit Cutting Consumption) Combai và các kiểu đầu cắt, nguồn gốc khối đá và loại đá được sử dụng như các thông số phân loại chủ yếu Cường độ kháng nén dọc trục (UCS – Uniaxial Compressive Strength), công suất đầu cắt (P-cutterhead power), trọng lượng combai (W-Weight) và đường kính đầu cắt (CHD-Cutterhead Diameter) được sử dụng như là các thông số để tiêu chuẩn hóa

Sự biến thiên của ICR với UCS, dựa trên dữ liệu hiệu suất thực địa, được thể hiện trong hình 3 cho tất cả các điều kiện địa chất gặp phải trong tất cả các loại combai Đúng như trông đợi, dữ liệu chỉ ra sự phân tán đáng kể với hệ số tương quan thấp, không cho phương nào để giảm đi giữa UCS và ICR Sau khi dàn xếp dữ liệu cho combai đầu cắt ngang trục trong đất đá trầm tích,

sự phân tán trở lên nhỏ hơn, như thể hiện trong hình 4 Hệ số tương quan vẫn còn thấp, để ngăn ngừa, một biểu thức chính xác của bất kỳ mối liên hệ giữa hai biến Từ ICR là tương ứng trực tiếp giữa P và W và tương ứng nghịch đảo với UCS, sau khi tiêu chuẩn hóa bằng (P/UCS) (W/UCS) và (P x W/UCS), sự tương xứng được cải thiện đáng kể, như thể hiện trong hình 5, 6

và 7 Như trong hình, sự phân loại và sự tiêu chuẩn hóa về sau đã được đưa ra vài khuynh hướng định nghĩa trong dữ liệu Nhưng mối liên hệ vẫn chưa đủ độ chính xác

Một bước khác của quá trình phân loại là áp đặt lên dữ liệu trong các điều kiện của nhóm đá Nó phân bố sự cải thiện xa hơn trong mối liên hệ, như thể hiện trong hình 8 cho đất đá

evaporatic Trong trường hợp này, công thức dự báo được biểu thị như sau:

) ( 0023 , 0 511 ,

UCS W

P

RPI = × /

Trong đó:

ICR = Tốc độ cắt tức thời, m3/h

RPI = Chỉ số xuyên cắt của combai

UCS = Cường độ kháng nén đơn trục, MPa

W = Trọng lượng combai, tấn

P = Công suất động cơ đầu khấu, kW

e = Cơ số của hàm lô-ga-rít tự nhiên

Công thức này có thể được sử dụng để dự báo ICR cho khai đào trong đá evaporitic với các combai đầu khấu ngang trục Nó cũng có thể được sử dụng để chọn các combai để khai đào trong đá evaporitic để đạt được năng suất theo mong muốn Việc mở rộng cơ sở dữ liệu và việc thực thi các thông số tiêu chuẩn hóa khác có thể làm tăng hơn nữa độ chính xác của mối tương quan này Công việc này hiện nay đang được thực hiện Phải nhớ rõ rằng đất đá evaporitic thông thường là dạng khối mà không có sự xuất hiện của các vết nứt, khe nứt, bất kỳ một thông số nào, chẳng hạn như RQD được đề cập tới trong quá trình tiêu chuẩn hóa Tất nhiên, cấu trúc sắp xếp đất đá luôn phô bày lượng lớn các vết nứt hay nứt nẻ, chỉ số RQD được cho là đóng một vai trò chính yếu trong hiệu suất của máy, như các thảo luận trước đây

Hình 3 Biểu đồ tương quan giữa ICR và UCS cho tất cả các điều kiện đất đá và tất cả các loại combai

Hình 4 Biểu đồ tương quan giữa ICR và UCS

trong đá trầm tích với các combai kiểu đầu khấu ngang trục

Hình 5 Biểu đồ tương quan giữa ICR và P/UCS

trong đất đá trầm tích với các combai kiểu đầu khấu ngang trục

Hình 6 Biểu đồ tương quan giữa ICR và W/UCS

trong đất đá trầm tích với combai kiểu đầu khấu ngang trục

Hình 7 Biểu đồ tương quan giữa ICR và (PxW/UCS) cho đất đá trầm tích với các combai đầu khấu ngang trục

Hình 8 Biểu đồ tương quan giữa ICR và RPI cho đất đá Evaporitic và các combai đầu khấu ngang trục Phương pháp luận tương tự cũng được áp đặt lên sự dự báo tốc độ tiêu thụ răng cắt (BCR) Sự biến thiên giữa BCR và UCS được thể hiện trong hình 9 Sau khi phân mục dữ liệu của combai đầu khấu ngang trục trong đất đá trầm tích và tiêu chuẩn hóa bằng UCS, trọng lượng máy và công suất động cơ đầu khấu, mối liên hệ được thể hiện sự cải thiện đáng kể như trong hình 10

Từ đó các đường kính của đầu khấu lớn hơn được sử dụng cho đá mềm hơn và độ mài mòn nhỏ hơn, đường kính của đầu khấu cũng được dùng như là một thông số tiêu chuẩn hóa Nếu tiêu chuẩn hóa với thông số đường kính, một mối liên hệ tốt hơn sẽ được thể hiện như trong hình 11 Trong trường hợp này, công thức dự báo là như sau:

) ( 1769 , 6 ) ( 06

,

897 RCI 2 RCI

) /(P W CHD

UCS

RCI =

Trong đó:

BRC = Tốc độ tiêu thụ răng cắt, răng/m 3

RCI = Chỉ số tiêu thụ đầu khấu

UCS = Cường độ kháng nén đơn trục, MPa

W = Trọng lượng combai, tấn

P = Công suất động cơ đầu khấu, kW

CHD = Đường kính đầu khấu, m

Độ chính xác của công thức dự báo có thể được tăng lên lớn hơn nếu một vài thông số, chẳng hạn như: hàm lượng quartz trong đất đá, cỡ hạt được phân hạng và tiêu chuẩn hóa dữ liệu

Hình 9 Biểu đồ tương quan giữa BCR và UCS trong tất cả các điều kiện địa chất cho tất cả các loại combai

Hình 10 Biểu đồ tương quan giữa BCR và UCS/(PxW) cho đất đá trầm tích với các combai đầu khấu ngang trục