Tối ưu hóa các tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước trong khai thác than dưới các công trình cần bảo vệ trên mặt mỏ vùng quảng ninh (tt)

Tuy nhiên, đối với các tham số công nghệ chèn lò như mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp vật liệu chèn VLC với khả năng tách nước khỏi khối chèn, khả năng vận chuyển trong đường ống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ THÀNH LÂM

TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ

BẰNG SỨC NƯỚC TRONG KHAI THÁC THAN DƯỚI

CÁC CÔNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ TRÊN MẶT MỎ

Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS Trần Văn Thanh, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

Phản biện 1: GS.TSKH Lê Như Hùng

Hội Khoa học công nghệ mỏ

Phản biện 2: TS Nguyễn Anh Tuấn

Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

Phản biện 3: TS Đỗ Anh Sơn

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại……….……… vào hồi giờ ngày tháng năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia Hà Nội,

hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Theo Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, có khoảng 2,1 tỷ tấn trong tổng số 6,3 tỷ tấn trữ lượng, tài nguyên than hiện nay tại bể than Đông Bắc đang nằm phía dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt, đối tượng chứa nước, diện tích quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch rừng, quy hoạch vùng cấm, hạn chế khai thác khoáng sản của tỉnh Quảng Ninh Trong đó, khoảng 0,6 tỷ tấn nằm trong ranh giới các dự án mỏ đã được phê duyệt; khoảng 1,5 tỷ tấn hiện chưa được quy hoạch khai thác

Kinh nghiệm trên thế giới đã chỉ ra rằng, để khai thác tối đa phần trữ lượng, tài nguyên than nằm trong các trụ bảo vệ vừa hiệu quả kinh tế, đồng thời bảo vệ được các công trình, đối tượng trên bề mặt đất cần áp dụng công nghệ khai thác (CNKT) chèn lò Tại Việt Nam, kết quả nghiên cứu trước đây đã tập trung đánh giá điều kiện địa chất - kỹ thuật

mỏ, xác định trữ lượng cần chèn lò, đồng thời đề xuất một số sơ đồ CNKT chèn lò phù hợp với điều kiện các vỉa than vùng Quảng Ninh Các nghiên cứu đã khẳng định tại những khu vực như vậy cần áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước

Trong khai thác chèn lò bằng sức nước, các tham số công nghệ đóng vai trò rất quan trọng, quyết định đến hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi áp dụng Việc tối ưu hóa các tham số CNKT như chiều dài theo phương, chiều dài theo dốc lò chợ, chiều cao khấu, v.v đã được nghiên cứu khá đầy đủ trong các công trình nghiên cứu trước đây Tuy nhiên, đối với các tham số công nghệ chèn lò như mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp vật liệu chèn (VLC) với khả năng tách nước khỏi khối chèn, khả năng vận chuyển trong đường ống, độ co ngót,… hiện chưa có công trình nào ở trong nước nghiên cứu chuyên sâu, cũng như xác định được

các giá trị tối ưu Do đó, luận án “Tối ưu hóa các tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước trong khai thác than dưới các công trình cần bảo vệ trên mặt mỏ vùng Quảng Ninh” có tính cấp thiết giúp các mỏ

xem xét huy động tối đa nguồn tài nguyên than, góp phần giảm tổn thất than, nâng cao hiệu quả các dự án đầu tư xây dựng mỏ hầm lò, đồng thời kéo dài tuổi thọ mỏ, đảm bảo không ảnh hưởng các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt, góp phần vào việc phát triển và làm chủ công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam nói riêng, ngành than nói chung

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu xác định và tối ưu hóa một số tham số công nghệ chính quyết định hiệu quả áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhằm khai thác tối đa nguồn tài nguyên than, đồng thời đáp ứng

được các yêu cầu về giá trị dịch chuyển, biến dạng cho phép đối với các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt địa hình

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Các vỉa than nằm trong trụ bảo vệ các công

trình trên bề mặt tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh áp dụng CNKT chèn

lò bằng sức nước với các tham số công nghệ chính liên quan

- Phạm vi nghiên cứu: Các tham số trong CNKT chèn lò bằng sức

nước bao gồm (1) các tham số CNKT và (2) các tham số công nghệ chèn lò Phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ luận án này chủ yếu tập trung nghiên cứu một số tham số công nghệ chèn lò quyết định đến hiệu quả áp dụng công nghệ như: mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC với khả năng vận chuyển trong đường ống, khả năng tách nước khỏi khối chèn, độ co ngót khối chèn và mối quan hệ giữa độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt, cũng như tính toán xác định bước chèn lò hợp lý khi sử dụng VLC lựa chọn trong điều kiện lò chợ cụ thể

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan kinh nghiệm áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước và đánh giá tổng hợp trữ lượng than cần chèn lò vùng Quảng Ninh

- Nghiên cứu lựa chọn một số tham số CNKT chèn lò bằng sức nước cần tối ưu hóa như khả năng vận chuyển trong đường ống, khả năng tách nước khỏi khối chèn và độ co ngót của khối chèn

- Nghiên cứu tối ưu hóa một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước vùng Quảng Ninh như tỷ lệ phối trộn VLC đảm bảo khả năng vận chuyển bằng sức nước, độ co ngót yêu cầu của khối chèn, theo hệ số thấm, xây dựng mối quan hệ giữa độ co ngót với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt đất trên cơ sở bước chèn tối ưu

- Tối ưu hóa một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước cho điều kiện lò chợ VM-K8-7 mức -150/-110 khu Vũ Môn - mỏ than Mông Dương

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp

- Phối hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- Sử dụng máy tính để tính toán và xác định các tham số công nghệ chèn lò

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN

- Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được phương pháp luận tối ưu hóa

một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước phù hợp với điều kiện vùng Quảng Ninh

- Giá trị thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần xác

định giá trị cụ thể của một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước

phù hợp với điều kiện vùng Quảng Ninh, giúp các nhà tư vấn thiết kế và quản lý lựa chọn được giải pháp công nghệ chèn lò bằng sức nước tối

ưu nhất nhằm khai thác triệt để trữ lượng than nằm trong các trụ bảo vệ, phát huy hết hiệu quả vốn đầu tư mở vỉa chuẩn bị và khai thác, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh, đồng thời bảo vệ được các đối tượng, công trình cần bảo vệ bề mặt

7 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

7.1 Xác định thành phần VLC (bao gồm cỡ hạt, loại vật liệu và khối lượng) hợp lý áp dụng cho công nghệ chèn lò bằng sức nước khi khai thác các vỉa than nằm dưới các công trình cần bảo vệ trên mặt trong điều kiện các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

7.2 Xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC với khả năng tách nước khỏi khối chèn, độ co ngót của khối chèn và khả năng vận chuyển trong đường ống

7.3 Xây dựng mối quan hệ giữa độ co ngót của khối chèn với mức

độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình trên cơ sở bước chèn lò tối ưu

8 NHỮNG LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ

8.1 Khả năng vận chuyển trong đường ống của VLC phụ thuộc chủ yếu vào thành phần, cỡ hạt, khối lượng VLC

8.2 Khả năng tách nước và độ co ngót của khối chèn phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC

8.3 Mối quan hệ giữa độ co ngót của khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình tuân theo một hàm số tuyến tính bậc nhất

9 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Luận án được cấu trúc gồm: phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận kiến nghị và phụ lục Nội dung của luận án được trình bày trong 115 trang đánh máy khổ A4 với 22 bảng biểu, 49 hình vẽ và 50 tài liệu tham khảo

BẰNG SỨC NƯỚC 1.1 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước

1.1.1 Khái quát chung về công nghệ chèn lò bằng sức nước

Chèn lò là việc điền lấp khoảng không gian đã khai thác bằng các loại vật liệu như cát, tro, xỉ, đất đá thải Công nghệ chèn lò được áp

dụng với nhiều mục tiêu như: khai thác than dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt; điều khiển áp lực mỏ; giảm tổn thất tài nguyên; ngăn ngừa nguy cơ cháy nội sinh, nổ khí và bụi mỏ, bục nước; giảm khối lượng đất đá thải đưa lên mặt đất, v.v

Các công nghệ chèn lò khá đa dạng, được phân chia theo nhiều tiêu chí, ví dụ: (1) theo mức độ lấp đầy khoảng không gian đã khai thác, được chia thành chèn lò toàn phần và chèn lò từng phần; (2) theo đặc điểm VLC, được chia thành công nghệ chèn khô và chèn ướt; (3) theo phương pháp vận tải và thi công khối chèn, được chia thành chèn lò tự chảy, cơ khí, sức nước và khí nén Trong đó, phân loại chèn lò theo tiêu chí (3) được áp dụng phổ biến nhất

Công nghệ chèn lò bằng sức nước có ưu điểm là khối chèn có độ chặt cao, công suất chèn lớn, phù hợp với mọi điều kiện vỉa than, VLC

có thể được vận chuyển bằng đường ống từ mặt bằng vào khu vực chèn lấp với khoảng cách xa, khối chèn có khả năng cách ly ổn định khoảng không đã chèn với sự thâm nhập của không khí Nhờ những ưu điểm này, công nghệ chèn lò bằng sức nước được áp dụng phổ biến nhất trong khai thác than dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt đất tại các nước như Nga, Ba Lan, Anh, Trung Quốc, đóng góp đáng kể cho tổng sản lượng than khai thác

Bên cạnh các ưu điểm, nhược điểm của chèn lò bằng sức nước là yêu cầu về VLC cao, đặc biệt là tỷ lệ, thành phần, cỡ hạt; tính toán để vận chuyển và thi công khối chèn bằng sức nước khá phức tạp; việc đưa vào

mỏ một lượng nước lớn gây áp lực cho hệ thống thoát nước mỏ và khiến điều kiện khu vực khai thác xấu đi Với những nhược điểm nói trên, việc nghiên cứu lựa chọn các tham số công nghệ hợp lý khi áp dụng trong từng trường hợp cụ thể là hết sức cần thiết

1.1.2 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước

CNKT chèn lò bằng sức nước được áp dụng đầu tiên trên thế giới vào những năm 80 của thế kỷ 19 tại Mỹ, tại Ba Lan (1893), và tại Đức (1894) Tại Liên Xô (cũ), những thử nghiệm đầu tiên tại Kuzbass năm

1935, sau đó triển khai với quy mô công nghiệp từ năm 1947 (mỏ Koksovoi-1, bể than Kuzbass) Ngày nay, chèn lò bằng sức nước được

áp dụng phổ biến tại nhiều nước như Nga, Pháp, Đức, Ấn Độ và Trung Quốc giúp khai thác tối đa tài nguyên mang lại hiệu quả kinh tế cao, đồng thời bảo vệ được các công trình trình bề mặt Các sơ đồ CNKT chèn lò bằng sức nước được áp dụng rất đa dạng, có thể phù hợp với mọi điều kiện chiều dày và góc dốc của vỉa than Đối với điều kiện vỉa dốc thoải đến nghiêng người ta thường áp dụng sơ đồ CNKT chia lớp nghiêng, khấu than bằng máy combai, chống giữ gương bằng dàn chống

tự hành trong trường hợp vỉa dày hoặc sơ đồ CNKT khấu hết chiều dày vỉa đối với điều kiện vỉa dày trung bình Đối với điều kiện vỉa dốc, có thể áp dụng phổ biến các sơ đồ CNKT gồm: sơ đồ CNKT cột dài theo

độ dốc, khai thác toàn bộ chiều dày vỉa kết hợp chèn lò theo hướng từ dưới lên; sơ đồ CNKT cột dài theo độ dốc khai thác chia lớp nghiêng với chèn lò từ dưới lên; sơ đồ CNKT chia lớp ngang nghiêng, chèn lò theo thứ tự từ dưới lên

Trong CNKT chèn lò bằng sức nước, có thể sử dụng các loại vật liệu

để chèn lấp khoảng không gian đã khai thác như: đá thải từ các gương đào lò, đuôi quặng tại các xưởng tuyển, tro xỉ thải nhà máy nhiệt điện, v.v… Thực tế cho thấy, VLC đóng vai trò quan trọng quyết định mức

độ sụt lún, biến dạng bề mặt, cũng như hiệu quả của công nghệ, do đó, các mỏ hầm lò trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu lựa chọn và áp dụng khá đa dạng các loại VLC cũng như giải pháp công nghệ chèn lò, phù hợp với điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ cụ thể Để áp dụng các kinh nghiệm nước ngoài vào trường hợp vùng Quảng Ninh, cần có các nghiên cứu đánh giá và lựa chọn phù hợp

1.2 Đánh giá tổng hợp trữ lượng than cần áp dụng CNKT chèn lò tại vùng Quảng Ninh

Luận án đã tiến hành khảo sát và xác định các đối tượng công trình cần bảo vệ trên bề mặt vùng Quảng Ninh Kết quả cho thấy, các nhóm đối tượng cần bảo vệ trên mặt gồm 3 nhóm đối tượng chính: (1) nhóm đối tượng công trình công nghiệp (đường điện, đường giao thông, mặt bằng sân công nghiệp, moong lộ thiên, v.v); (2) nhóm đối tượng dân cư; (3) nhóm đối tượng chứa nước Phần trữ lượng than cần khai thác chèn

lò dưới các công trình bề mặt nêu trên nằm phân bố rải rác tại hầu hết vùng Quảng Ninh bao gồm: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu, Hòn Gai,

Hà Lầm, Núi Béo, Quang Hanh, Mông Dương và Khe Chàm

1.2.1 Phương pháp đánh giá

Trên cơ sở các tài liệu thu thập, luận án đã xác định và khoanh vùng các khu vực vỉa than nằm dưới các đối tượng cần bảo vệ bề mặt tại các

mỏ Mạo Khê, Vàng Danh, Hà Lầm, Núi Béo, Mông Dương và Khe

Chàm dựa trên “Quy tắc bảo vệ các công trình và đối tượng tự nhiên

tránh ảnh hưởng có hại do khai thác mỏ than hầm lò” của Viện VNIMI

(LB Nga, 1998) Theo đó, (1) Các đối tượng có mức độ yêu cầu bảo vệ

bề mặt tương đương nhau được xếp vào cùng một nhóm; (2) Các đối tượng tập trung với mật độ lớn trong một phạm vi không gian mà trụ bảo vệ, xác định cho mỗi đối tượng, giao thoa nhau hoặc khoảng cách giữa chúng quá nhỏ và không hiệu quả để mở một diện khai thác, sẽ

được khoanh vùng thành một nhóm đối tượng và tính trụ bảo vệ chung cho cả nhóm; (3) Các đối tượng phân bố thưa thớt trên bề mặt mỏ hoặc

có thể di dời được xem xét loại bỏ khỏi phạm vi khoanh vùng đối tượng cần bảo vệ Sau đó, tính toán xác định ranh giới trụ bảo vệ và chiều sâu khai thác an toàn cho từng nhóm đối tượng Trữ lượng nằm trong các trụ bảo vệ được đánh giá chi tiết theo phương pháp của viện VNIMI gồm các chỉ tiêu địa chất mỏ của khoáng sàng như: chiều dày, góc dốc,

Hình 1.1 Trữ lượng than cần khai thác chèn lò và trữ lượng địa chất toàn mỏ tại một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

Phần lớn trữ lượng dưới đối tượng công trình công nghiệp (Nhóm 1)

có yêu cầu khắt khe về mức độ biến dạng bề mặt như đường điện, đường quốc lộ, sân công nghiệp mỏ, moong khai thác lộ thiên với 64,7 triệu tấn (tương đương 49% trữ lượng chèn lò) Trong đó, tập trung chủ yếu tại mỏ Núi Béo (28,5 triệu tấn, tương đương 21,6%), Mạo Khê (19,8 triệu tấn, tương đương 15%) và Hà Lầm (16,3 triệu tấn, tương đương 12,4%) Trữ lượng than nằm dưới các khu vực dân cư (nhóm 2) khoảng 43 triệu tấn chiếm 33%, phân bố tại Hà Lầm (40,4 triệu tấn, tương đương 30,6%) và Mạo Khê (2,5 triệu tấn, tương đương 1,9%) Ngoài ra, trữ lượng than nằm dưới các đối tượng chứa nước (nhóm 3) khoảng 24,3 triệu tấn (chiếm 18%) và được phân bố tương đối đồng đều tại các khoáng sàng than Mạo Khê, Vàng Danh, Mông Dương và Khe Chàm Trong đó, phần trữ lượng than nằm dưới các đối tượng chứa

28.538 (41%)

2.962 (6%)

9.234 (9%) 0

nước tại khoáng sàng Mạo Khê khoảng 5,2 triệu tấn (3,9%), Vàng Danh khoảng 6,9 triệu tấn (5,3%), Mông Dương 2,9 triệu tấn (2,2%) và Khe Chàm khoảng 9,2 triệu tấn chiếm 7% tổng trữ lượng cần chèn lò vùng Quảng Ninh) (xem hình 1.2)

Hình 1.2 Phân bố trữ lượng dưới các nhóm công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt tại các mỏ vùng Quảng Ninh

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THAM SỐ CẦN TỐI ƯU HÓA TRONG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CÔNG TRÌNH

CẦN BẢO VỆ VÙNG QUẢNG NINH 2.1 Khái quát về các tham số cơ bản của CNKT chèn lò bằng sức nước

Về bản chất CNKT chèn lò bằng sức nước bao gồm các công việc: chuẩn bị ruộng mỏ, khấu than, chống giữ lò chợ, điều khiển đá vách, vận tải, thông gió, thoát nước, v.v tương tự như các CNKT khác Điểm khác biệt chủ yếu là công tác điều khiển đá vách bằng việc đưa VLC vào điền đầy khoảng không gian đã khai thác - có thể được gọi là công nghệ chèn lò

Các tham số liên quan đến công tác khấu than và chống giữ lò chợ, vận tải than, thông gió, thoát nước, v.v , đã được nghiên cứu khá đầy

đủ trong một số công trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới như A.C Burtracov, A.C Malkin, M.I Uxchinov, K.F Sapitski, A.K Porsevski, J Palarski, D.R Korovin,.v.v hay trong nước như GS.TSKH Lê Như Hùng, TS Ninh Quang Thành, PGS.TS Đỗ Mạnh Phong, PGS.TS Trần Văn Thanh, TS Đào Danh Phượng, PGS.TS Phùng Mạnh Đắc, TS Nguyễn Anh Tuấn Do đó, luận án sẽ không nghiên cứu các tham số liên quan đến các vấn đề nêu trên mà tập trung nghiên cứu các tham số công nghệ chèn lò

Quy trình công nghệ chèn lò bằng sức nước bao gồm: (1) Lựa chọn, gia công VLC; (2) Vận chuyển VLC bằng sức nước vào khu vực chèn lò; (3) Thi công khối chèn và tách nước khỏi khối chèn

24.394,0 (18%)

43.018,2 (33%)

64.731,3 (49%)

Lựa chọn, gia công VLC là công tác quan trọng đầu tiên, quyết định đến hiệu quả - kinh tế kỹ thuật của công nghệ chèn lò Các tính chất của VLC thường được xem xét trong quá trình lựa chọn, gia công VLC gồm: tính chất cơ lý của bản thân các hạt vật liệu, tỷ lệ phối trộn các thành phần vật liệu; hình dạng, kích thước hạt và mức độ đồng đều cỡ hạt Giá trị định lượng cho các tính chất này đều có thể được coi là các tham số công nghệ chèn lò Việc xác định đâu là tham số cơ bản, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả chèn lò, phụ thuộc vào từng loại VLC cụ thể Vận chuyển VLC bằng sức nước trong đường ống tuân theo các quy luật về dòng chảy trong ống Các phương pháp vận tải bằng sức nước trong đường ống gồm: vận tải với cột áp của máy bơm (vận tải có áp); vận tải nhờ cột áp tự nhiên do chênh lệch về độ cao giữa các điểm đầu

và cuối đường ống (vận tải không áp) Trong thực tế, công nghệ chèn lò bằng sức nước trên thế giới thường áp dụng phương pháp vận tải không

áp với các tham số cơ bản gồm: Đường kính trong của đường ống; Độ nhám thành ống; Số lượng điểm nút và sức cản cục bộ tại các điểm nút;

Tỷ lệ giữa chênh lệch độ cao (H) và khoảng cách theo phương ngang (L) giữa điểm đầu và điểm cuối của hệ thống vận chuyển (H/L) Đối với vận tải có áp, ngoài các tham số trên, còn có tham số về vận tốc dòng chảy Ngoài ra, các tính chất của VLC cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống vận tải bằng sức nước trong đường ống

Việc thi công khối chèn gồm các công tác: dựng thành be (cốp pha) cho khối chèn, đưa ống vận chuyển đổ VLC vào khối chèn, thu hồi ống vận chuyển khi khối chèn đã được điền đầy, khi nước cơ bản tách hoàn toàn ra khỏi khối chèn công tác thi công khối chèn coi như kết thúc Thi công khối chèn được thực hiện theo từng bước chèn, sau một hoặc một

số chu kỳ khai thác Việc lựa chọn bước chèn lò và các kích thước của khối chèn được thi công mỗi lần có ảnh hưởng đến tổ chức sản xuất, qua đó ảnh hưởng đến công suất, năng suất lò chợ, đồng thời ảnh hưởng đến độ hạ vách trong thời gian thực hiện một chu kỳ khai thác - chèn lò,

do đó ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ bề mặt đất Vì vậy, kích thước khối chèn (bao gồm bước chèn) là các tham số cơ bản của công nghệ chèn lò bằng sức nước

Trong quá trình thi công khối chèn, VLC sẽ ở lại trong khối chèn, còn nước thoát ra khỏi khối chèn qua các thành be (cốp pha) Tốc độ nước thoát ra khỏi khối chèn bằng hình thức thấm qua khối chèn tuân theo các quy luật thấm, phụ thuộc chủ yếu vào hệ số thấm của VLC Như vậy, hệ số thấm của VLC, các giá trị định lượng về hình dạng, kích thước tổng thể của khối chèn là các tham số cơ bản của công nghệ chèn

lò bằng sức nước

2.2 Nghiên cứu lựa chọn một số tham số cần tối ưu hóa của VLC

2.2.1 Các tham số ảnh hưởng đến độ co ngót của khối chèn

Độ co ngót (%) của khối chèn là sự biến dạng tương đối về thể tích trong điều kiện nén mà không xảy ra biến dạng ngang dưới tác dụng của

áp lực đơn trục hoặc đa trục Do đó, khối chèn có độ co ngót nhỏ (mức

độ lèn chặt cao) khả năng sụt lún bề mặt cũng sẽ giảm theo Ngược lại, khối chèn có độ co ngót lớn (mức độ lèn chặt thấp), sẽ làm tăng nguy cơ sụt lún bề mặt Độ co ngót của khối chèn ảnh hưởng rất lớn bởi thành phần thạch học và thành phần cỡ hạt VLC Các hạt vật liệu tròn mịn đều, thì độ rỗng và độ co ngót sẽ lớn hơn, ngược lại hạt vật liệu góc cạnh và không đều nhau, độ co ngót sẽ nhỏ hơn Theo Рыжков Ю.А., Волков А.Н., Гоголин В.А (Liên Xô cũ), VLC có độ co ngót đảm bảo yêu cầu khi mức độ đồng đều cỡ hạt N = d60/d10  5 Trong đó: d60 - đường kính lỗ sàng đảm bảo 60% khối lượng VLC lọt qua; d10- đường kính lỗ sảng đảm bảo 10% khối lượng VLC lọt qua Trên thế giới, người ta thường phối trộn các loại VLC theo một tỷ lệ thích hợp để có được độ co ngót khối chèn đáp ứng theo yêu cầu

Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy, tỷ lệ phối trộn các thành phần vật liệu, cỡ hạt và mức độ đồng đều về cỡ hạt của vật liệu là các tham

số của VLC có ảnh hưởng lớn đến độ co ngót của khối chèn Mối quan

hệ giữa các tham số này với độ co ngót của khối chèn không có quy luật thống nhất cho tất cả các loại vật liệu, việc lựa chọn được tham số phù hợp nhất thiết phải được thực hiện bằng các nghiên cứu thí nghiệm, thử nghiệm thực tế với loại VLC cụ thể Do đó, đây là các tham số cần nghiên cứu tối ưu

2.2.2 Các tham số ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển trong đường ống

Các kết quả nghiên cứu tại Liên Xô (cũ) và Trung Quốc đã chỉ ra rằng, cỡ hạt VLC ảnh hưởng rất lớn đến khả năng vận chuyển trong đường ống Cỡ hạt tối đa hợp lý không nên lớn hơn 60mm Ngoài ra, nhằm hạn chế hiện tượng tắc ống vận chuyển, cỡ hạt tối đa của VLC không vượt quá 1/3 đường kính trong của ống vận chuyển, trường hợp

có hạt quá cỡ thì mức độ quá cỡ không quá 30% tỷ lệ hạt quá cỡ không vượt quá 5% khối lượng Ngoài ra, khối lượng thể tích, độ rỗng của vật liệu cũng ảnh hưởng đến khả năng vận tải vật liệu trong đường ống Tuy nhiên, khối lượng thể tích, độ rỗng của hạt vật liệu phụ thuộc vào điều kiện thành tạo vật liệu, là các tính chất vốn có của vật liệu (không thể thay đổi) Để cải thiện khả năng vận chuyển bằng sức nước trong đường ống, có thể thêm vào dòng chảy các thành phần có cỡ hạt rất nhỏ nhưng khối lượng riêng lớn hơn nước (ví dụ như tro bay) để hình thành

trạng thái huyền phù trong dòng chảy, tăng lực đẩy Acsimet đối với các hạt thô khác trong hỗn hợp

Như vậy, các tính chất của VLC như: Cỡ hạt tối đa, tỷ lệ thành phần vật liệu là các tham số công nghệ có ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển VLC bằng sức nước và cần nghiên cứu tối ưu

2.2.3 Các tham số ảnh hưởng đến tốc độ tách nước khỏi khối chèn

Trong quá trình thi công khối chèn, nước có thể tách ra khỏi khối chèn và chảy vào hệ thống thu nước hay không phụ thuộc vào khả năng thẩm thấu của VLC Tính thẩm thấu (K) của VLC ảnh hưởng lớn đến tốc độ tách nước ra khỏi khối chèn khi tiến hành chèn lò bằng sức nước, qua đó ảnh hưởng đến thời gian một chu kỳ chèn lò và công suất của dây chuyền chèn lò Theo kinh nghiệm của Nga, hệ số thẩm thấu yêu cầu K>0,001 cm/s, tại Ba Lan: K≥0,002 cm/s, tại Úc, Canada: K>0,0027 cm/s

Hệ số thẩm thấu phụ thuộc vào (1) cỡ hạt, độ rỗng vật liệu (2) phụ gia đông kết và (3) thời gian thi công Như vậy, tham số công nghệ của VLC ảnh hưởng đến tốc độ tách nước khỏi khối chèn là hệ số thấm của VLC Tham số này chịu ảnh hưởng của các tham số khác của vật liệu như tỷ lệ thành phần, cỡ hạt tối đa, hệ số không đồng đều về cỡ hạt

2.3 Nghiên cứu lựa chọn một số tham số cần tối ưu hóa của công tác vận chuyển và thi công khối chèn

2.3.1 Các tham số của hệ thống vận chuyển VLC

Quá trình vận chuyển VLC bằng sức nước tuân theo các quy luật về

dòng chảy trong đường ống, ví dụ như:

- Phương trình lưu lượng: 𝑄 = 𝑣 𝐹 (2.1)

Trong đó: v - vận tốc dòng chảy; F - diện tích tiết diện ống vận

chuyển

- Phương trình Becnuli đối với chất lỏng:

𝑍1+𝑃1

𝛾 +𝛼1 𝑣12𝑔 = 𝑍2+𝑃2

𝛾 +𝛼2 𝑣22𝑔 + ℎ𝑤 (2.2)

Trong đó: Z 1 , Z 2 - tương ứng là cao độ tại điểm đầu (1) và cuối (2)

của đường ống; P 1 , P 2 - áp suất tại điểm đầu (1) và cuối (2); v1, v2 - vận tốc dòng chảy tại điểm đầu (1) và cuối (2); α1, α2 - hệ số thay đổi động

năng tính đến sự sai khác giữa dòng chảy và chất lỏng lý tưởng; g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2; h w - tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa dòng chảy với thành ống từ điểm đầu (1) điến điểm cuối

(2)

- Tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa dòng chảy với

thành ống (theo công thức Darcy):

ℎ𝑤= 𝜆.𝐷𝐿.𝑣2

Trong đó: Trong đó: L - chiều dài đường ống vận tải, m; D - đường

kính trong của ống dẫn, m;  - hệ số tổn thất dọc đường

- Hệ số tổn thất dọc đường (theo công thức thực nghiệm của Nikuratse)

𝜆 = 1

(2.lg 𝐷

2Δ +1,74)2 (2.4)

Trong đó:  - độ nhám tuyệt đối của ống dẫn, m

1 Đường kính trong của ống vận chuyển

Kết hợp công thức (2.1) cho thấy, đường kính trong của ống là tham

số ảnh hưởng trực tiếp đến mối quan hệ giữa lưu lượng và vận tốc dòng chảy Theo công thức (2.3), đường kính trong của ống còn ảnh hưởng đến tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa dòng chảy với thành ống; và ảnh hưởng đến hệ số tổn thất dọc đường, theo công thức

(2.4) Mặt khác, khi đã lựa chọn được VLC và xác định được các tính chất của vật liệu, như cỡ hạt, tỷ trọng thì đường kính ống cần được lựa chọn phù hợp với VLC, sao cho dòng chảy vật liệu trong ống ổn định

sẽ không nghiên cứu tối ưu hóa than số này

3 Số lượng điểm nút và sức cản cục bộ tại các vị trí điểm nút

Số lượng điểm nút và sức cản cục bộ tại các vị trí điểm nút là các tham số đặc trưng cho sơ đồ đường ống vận chuyển, chất lượng các vị trí nối ống Các tham số này ảnh hưởng đến tổn thất cột áp cục bộ khi dòng chảy đi qua các vị trí điểm nút Số lượng điểm nút càng ít (sơ đồ vận chuyển càng thẳng, ít dích dắc), sức cản cục bộ càng nhỏ thì dòng chảy càng ổn định, càng tốn ít năng lượng (nước) để vận chuyển VLC Mặt khác, trong thực tế, sơ đồ vận chuyển VLC bẳng sức nước thường

có chiều dài vận chuyển rất lớn, do đó tổn thất cục bộ (do sức cản cục bộ) thường không đáng kể so với tổn thất cột áp dọc đường Vì vậy, các tham số này không là đối tượng nghiên cứu tối ưu hóa của luận án

4 Tỷ lệ giữa chênh cao và khoảng cách vận chuyển (H/L)

Tỷ lệ giữa chênh lệch độ cao và khoảng cách theo phương ngang giữa điểm đầu và điểm cuối của hệ thống vận chuyển (H/L) là một trong những tham số quan trọng trong tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển VLC bằng

sức nước trong đường ống nhờ cột áp tự nhiên Tham số này thể hiện rằng các thông số của hệ thống vận chuyển bằng sức nước không phụ thuộc bởi giá trị tuyệt đối về chênh cao hay khoảng cách vận chuyển, mà bởi giá trị tương đối phụ thuộc vào chênh lệch chiều cao vận chuyển và khoảng cách vận chuyển (theo phương ngang) Trường hợp vận chuyển VLC bằng sức nước trong đường ống có áp Tham số tỷ lệ (H/L) cũng rất cần thiết để xác định cột áp bổ sung (chọn máy bơm)

Do đó, tỷ lệ giữa chênh cao và khoảng cách vận chuyển (H/L) là các tham số công nghệ cần tối ưu hóa khi áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước cho vùng than Quảng Ninh

2.3.2 Các tham số trong thi công khối chèn

Các tham số cơ bản của công tác thi công khối chèn gồm bước chèn

lò và kích thước khối chèn mỗi lần thi công Kích thước khối chèn có ảnh hưởng đến: tổ chức sản xuất, qua đó ảnh hưởng đến công suất, năng suất của lò chợ; độ hạ vách Đá vách hạ xuống gây ra dịch động, biến dạng trên bề mặt đất, do đó bước chèn là tham số ảnh hưởng đến mức

độ dịch động, biến dạng trên bề mặt đất Việc nghiên cứu mối quan hệ này cho phép lựa chọn được bước chèn tối ưu, vừa đảm bảo các chỉ tiêu dịch động, biến dạng trên bề mặt đất trong giới hạn cho phép của công trình, đồng thời làm cơ sở xây dựng biểu đồ tổ chức sản xuất hợp lý

2.3.3 Các tham số trong quá trình tách nước khỏi khối chèn

Khi thi công khối chèn, nước có thể ngay lập tức thấm qua khối chèn

và chảy vào thể thống thu nước, cũng có thể tích tụ ở phía trên khối chèn tạo thành cột nước Điều này phụ thuộc vào khả năng thấm nước của khối chèn Do đó, khi tính toán thiết kế công tác thi công khối chèn, cần xem xét đến khả năng thấm nước để xây dựng thành be, hố thu nước phù hợp và cũng để lựa chọn áp dụng giải pháp tách nước sơ bộ nếu khối chèn có khả năng thấm thấp Điều kiện để trong quá trình thi công khối chèn không tạo thành cột nước trên bề mặt là lưu lượng nước

chảy vào khối chèn (Q N) phải không lớn hơn lưu lượng (tốc độ) nước

thoát ra khỏi khối chèn (Q F ): Q N ≤ Q F (2.5)

Giá trị Q F phụ thuộc vào các thông số: Lưu lượng nước chảy vào

khối chèn (Q N - ảnh hưởng tới h pr ); Hệ số thấm của VLC (K f); Hệ số dòng chảy tầng (liên quan đến thành phần, cấp hạt vật liệu); Chiều cao

thẳng đứng của tầng khai thác (H); Kích thước cột khai thác theo phương (L c - ảnh hưởng tới h d); Chiều dài theo phương của khối chèn

(L p); Góc dốc vỉa than (); Chiều dày vỉa than (m) Như vậy, các tham

số công nghệ cần tối ưu hóa liên quan đến tốc độ tách nước của khối

chèn gồm: Hệ số thấm của VLC (K f), tỷ lệ thành phần, cấp hạt của vật liệu