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)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ THÀNH LÂM TỐI ƯU HĨA CÁC THAM SỐ CƠNG NGHỆ CHÈN LỊ BẰNG SỨC NƯỚC TRONG KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CƠNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ TRÊN MẶT MỎ VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số : 62.52.06.03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Bộ mơn Khai thác hầm lò 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 cơng nghệ mỏ Phản biện 2: TS Nguyễn Anh Tuấn Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khống sản Việt Nam Phản biện 3: TS Đỗ Anh Sơn Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại………………………………….……………… vào hồi ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia Hà Nội, 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 tổng số 6,3 tỷ trữ lượng, tài ngun than bể than Đơng Bắc nằm phía cơng 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 khống sản tỉnh Quảng Ninh Trong đó, khoảng 0,6 tỷ nằm ranh giới dự án mỏ phê duyệt; khoảng 1,5 tỷ chưa quy hoạch khai thác Kinh nghiệm giới rằng, để khai thác tối đa phần trữ lượng, tài ngun than nằm trụ bảo vệ vừa hiệu kinh tế, đồng thời bảo vệ cơng trình, đối tượng bề mặt đất cần áp dụng cơng nghệ khai thác (CNKT) chèn lò Tại Việt Nam, kết nghiên cứu trước tập trung đánh giá điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ, xác định trữ lượng cần chèn lò, đồng thời đề xuất số sơ đồ CNKT chèn lò phù hợp với điều kiện vỉa than vùng Quảng Ninh Các nghiên cứu khẳng định khu vực cần áp dụng cơng nghệ chèn lò sức nước Trong khai thác chèn lò sức nước, tham số cơng nghệ đóng vai trò quan trọng, định đến hiệu kinh tế - kỹ thuật áp dụng Việc tối ưu hóa tham số CNKT chiều dài theo phương, chiều dài theo dốc lò chợ, chiều cao khấu, v.v nghiên cứu đầy đủ cơng trình nghiên cứu trước Tuy nhiên, tham số cơng nghệ chèn lò mối quan hệ tỷ lệ phối trộn hỗn hợp vật liệu chèn (VLC) với khả tách nước khỏi khối chèn, khả vận chuyển đường ống, độ co ngót,… chưa có cơng trình nước nghiên cứu chun sâu, xác định giá trị tối ưu Do đó, luận án “Tối ưu hóa tham số cơng nghệ chèn lò sức nước khai thác than cơng trình cần bảo vệ mặt mỏ vùng Quảng Ninh” có tính cấp thiết giúp mỏ xem xét huy động tối đa nguồn tài ngun than, góp phần giảm tổn thất than, nâng cao hiệu dự án đầu tư xây dựng mỏ hầm lò, đồng thời kéo dài tuổi thọ mỏ, đảm bảo khơng ảnh hưởng cơng trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt, góp phần vào việc phát triển làm chủ cơng nghệ khai thác chèn lò sức nước Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khống sản Việt Nam nói riêng, ngành than nói chung MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu xác định tối ưu hóa số tham số cơng nghệ định hiệu áp dụng CNKT chèn lò sức nước mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhằm khai thác tối đa nguồn tài ngun than, đồng thời đáp ứng u cầu giá trị dịch chuyển, biến dạng cho phép cơng trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt địa hình ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Các vỉa than nằm trụ bảo vệ cơng trình bề mặt mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh áp dụng CNKT chèn lò sức nước với tham số cơng nghệ liên quan - Phạm vi nghiên cứu: Các tham số CNKT chèn lò sức nước bao gồm (1) tham số CNKT (2) tham số cơng nghệ chèn lò Phạm vi nghiên cứu khn khổ luận án chủ yếu tập trung nghiên cứu số tham số cơng nghệ chèn lò định đến hiệu áp dụng cơng nghệ như: mối quan hệ tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC với khả vận chuyển đường ống, khả tách nước khỏi khối chèn, độ co ngót khối chèn mối quan hệ độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt, tính tốn xác định bước chèn lò hợp lý sử dụng VLC lựa chọn điều kiện lò chợ cụ thể NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tổng quan kinh nghiệm áp dụng CNKT chèn lò sức nước đánh giá tổng hợp trữ lượng than cần chèn lò vùng Quảng Ninh - Nghiên cứu lựa chọn số tham số CNKT chèn lò sức nước cần tối ưu hóa khả vận chuyển đường ống, khả tách nước khỏi khối chèn độ co ngót khối chèn - Nghiên cứu tối ưu hóa số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước vùng Quảng Ninh tỷ lệ phối trộn VLC đảm bảo khả vận chuyển sức nước, độ co ngót u cầu khối chèn, theo hệ số thấm, xây dựng mối quan hệ độ co ngót với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt đất sở bước chèn tối ưu - Tối ưu hóa số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước cho điều kiện lò chợ VM-K8-7 mức -150/-110 khu Vũ Mơn - mỏ than Mơng Dương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp - Phối hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm - Sử dụng máy tính để tính tốn xác định tham số cơng nghệ chèn lò Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học: Xây dựng phương pháp luận tối ưu hóa số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước phù hợp với điều kiện vùng Quảng Ninh - Giá trị thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án góp phần xác định giá trị cụ thể số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước phù hợp với điều kiện vùng Quảng Ninh, giúp nhà tư vấn thiết kế quản lý lựa chọn giải pháp cơng nghệ chèn lò sức nước tối ưu nhằm khai thác triệt để trữ lượng than nằm trụ bảo vệ, phát huy hết hiệu vốn đầu tư mở vỉa chuẩn bị khai thác, nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh, đồng thời bảo vệ đối tượng, cơng trình cần bảo vệ bề mặt ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN 7.1 Xác định thành phần VLC (bao gồm cỡ hạt, loại vật liệu khối lượng) hợp lý áp dụng cho cơng nghệ chèn lò sức nước khai thác vỉa than nằm cơng trình cần bảo vệ mặt điều kiện mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh 7.2 Xác định mối quan hệ tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC với khả tách nước khỏi khối chèn, độ co ngót khối chèn khả vận chuyển đường ống 7.3 Xây dựng mối quan hệ độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình sở bước chèn lò tối ưu NHỮNG LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ 8.1 Khả vận chuyển đường ống VLC phụ thuộc chủ yếu vào thành phần, cỡ hạt, khối lượng VLC 8.2 Khả tách nước độ co ngót khối chèn phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC 8.3 Mối quan hệ độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình tn theo hàm số tuyến tính bậc CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án cấu trúc gồm: phần mở đầu, chương, phần kết luận kiến nghị phụ lục Nội dung luận án trình bày 115 trang đánh máy khổ A4 với 22 bảng biểu, 49 hình vẽ 50 tài liệu tham khảo 10 CÁC ẤN PHẨM ĐÃ CƠNG BỐ Theo hướng nghiên cứu luận án cơng bố cơng trình đăng tạp chí chun ngành mỏ, hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ ngồi nước CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP TRỮ LƯỢNG THAN CẦN KHAI THÁC CHÈN LỊ TẠI VÙNG QUẢNG NINH, TỔNG QUAN KINH NGHIỆM ÁP DỤNG CƠNG NGHỆ CHÈN LỊ BẰNG SỨC NƯỚC 1.1 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng cơng nghệ chèn lò sức nước 1.1.1 Khái qt chung cơng nghệ chèn lò sức nước Chèn lò việc điền lấp khoảng khơng gian khai thác loại vật liệu cát, tro, xỉ, đất đá thải Cơng nghệ chèn lò áp dụng với nhiều mục tiêu như: khai thác than cơng trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt; điều khiển áp lực mỏ; giảm tổn thất tài ngun; ngăn ngừa nguy cháy nội sinh, nổ khí bụi mỏ, bục nước; giảm khối lượng đất đá thải đưa lên mặt đất, v.v Các cơng nghệ chèn lò đa dạng, phân chia theo nhiều tiêu chí, ví dụ: (1) theo mức độ lấp đầy khoảng khơng gian khai thác, chia thành chèn lò tồn phần chèn lò phần; (2) theo đặc điểm VLC, chia thành cơng nghệ chèn khơ chèn ướt; (3) theo phương pháp vận tải thi cơng khối chèn, chia thành chèn lò tự chảy, khí, sức nước khí nén Trong đó, phân loại chèn lò theo tiêu chí (3) áp dụng phổ biến Cơng nghệ chèn lò sức nước có ưu điểm khối chèn có độ chặt cao, cơng suất chèn lớn, phù hợp với điều kiện vỉa than, VLC vận chuyển đường ống từ mặt vào khu vực chèn lấp với khoảng cách xa, khối chèn có khả cách ly ổn định khoảng khơng chèn với thâm nhập khơng khí Nhờ ưu điểm này, cơng nghệ chèn lò sức nước áp dụng phổ biến khai thác than cơng trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt đất nước Nga, Ba Lan, Anh, Trung Quốc, đóng góp đáng kể cho tổng sản lượng than khai thác Bên cạnh ưu điểm, nhược điểm chèn lò sức nước u cầu VLC cao, đặc biệt tỷ lệ, thành phần, cỡ hạt; tính tốn để vận chuyển thi cơng khối chèn sức nước phức tạp; việc đưa vào mỏ lượng nước lớn gây áp lực cho hệ thống nước mỏ khiến điều kiện khu vực khai thác xấu Với nhược điểm nói trên, việc nghiên cứu lựa chọn tham số cơng nghệ hợp lý áp dụng trường hợp cụ thể cần thiết 1.1.2 Tổng quan kinh nghiệm áp dụng CNKT chèn lò sức nước CNKT chèn lò sức nước áp dụng giới vào năm 80 kỷ 19 Mỹ, Ba Lan (1893), Đức (1894) Tại Liên Xơ (cũ), thử nghiệm Kuzbass năm 1935, sau triển khai với quy mơ cơng nghiệp từ năm 1947 (mỏ Koksovoi-1, bể than Kuzbass) Ngày nay, chèn lò sức nước áp dụng phổ biến nhiều nước Nga, Pháp, Đức, Ấn Độ Trung Quốc giúp khai thác tối đa tài ngun mang lại hiệu kinh tế cao, đồng thời bảo vệ cơng trình trình bề mặt Các sơ đồ CNKT chèn lò sức nước áp dụng đa dạng, phù hợp với điều kiện chiều dày góc dốc vỉa than Đối với điều kiện vỉa dốc thoải đến nghiêng người ta thường áp dụng sơ đồ CNKT chia lớp nghiêng, khấu than máy combai, chống giữ gương dàn chống tự hành trường hợp vỉa dày sơ đồ CNKT khấu hết chiều dày vỉa điều kiện vỉa dày trung bình Đối với điều kiện vỉa dốc, áp dụng phổ biến sơ đồ CNKT gồm: sơ đồ CNKT cột dài theo độ dốc, khai thác tồn chiều dày vỉa kết hợp chèn lò theo hướng từ lên; sơ đồ CNKT cột dài theo độ dốc khai thác chia lớp nghiêng với chèn lò từ lên; sơ đồ CNKT chia lớp ngang nghiêng, chèn lò theo thứ tự từ lên Trong CNKT chèn lò sức nước, sử dụng loại vật liệu để chèn lấp khoảng khơng gian khai thác như: đá thải từ gương đào lò, quặng xưởng tuyển, tro xỉ thải nhà máy nhiệt điện, v.v… Thực tế cho thấy, VLC đóng vai trò quan trọng định mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt, hiệu cơng nghệ, đó, mỏ hầm lò giới tiến hành nghiên cứu lựa chọn áp dụng đa dạng loại VLC giải pháp cơng nghệ chèn lò, phù hợp với điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ cụ thể Để áp dụng kinh nghiệm nước ngồi vào trường hợp vùng Quảng Ninh, cần có nghiên cứu đánh giá lựa chọn phù hợp 1.2 Đánh giá tổng hợp trữ lượng than cần áp dụng CNKT chèn lò vùng Quảng Ninh Luận án tiến hành khảo sát xác định đối tượng cơng trình cần bảo vệ bề mặt vùng Quảng Ninh Kết cho thấy, nhóm đối tượng cần bảo vệ mặt gồm nhóm đối tượng chính: (1) nhóm đối tượng cơng trình cơng nghiệp (đường điện, đường giao thơng, mặt sân cơng 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 cơng trình bề mặt nêu nằm phân bố rải rác hầu hết vùng Quảng Ninh bao gồm: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu, Hòn Gai, Hà Lầm, Núi Béo, Quang Hanh, Mơng Dương Khe Chàm 1.2.1 Phương pháp đánh giá Trên sở tài liệu thu thập, luận án xác định khoanh vùng khu vực vỉa than nằm đối tượng cần bảo vệ bề mặt mỏ Mạo Khê, Vàng Danh, Hà Lầm, Núi Béo, Mơng Dương Khe Chàm dựa “Quy tắc bảo vệ cơng trình đối tượng tự nhiên tránh ảnh hưởng có hại khai thác mỏ than hầm lò” Viện VNIMI (LB Nga, 1998) Theo đó, (1) Các đối tượng có mức độ u cầu bảo vệ bề mặt tương đương xếp vào nhóm; (2) Các đối tượng tập trung với mật độ lớn phạm vi khơng gian mà trụ bảo vệ, xác định cho đối tượng, giao thoa khoảng cách chúng q nhỏ khơng hiệu để mở diện khai thác, Trữ lượng địa chất (1000T) khoanh vùng thành nhóm đối tượng tính trụ bảo vệ chung cho nhóm; (3) Các đối tượng phân bố thưa thớt bề mặt mỏ di dời xem xét loại bỏ khỏi phạm vi khoanh vùng đối tượng cần bảo vệ Sau đó, tính tốn xác định ranh giới trụ bảo vệ chiều sâu khai thác an tồn cho nhóm đối tượng Trữ lượng nằm trụ bảo vệ đánh giá chi tiết theo phương pháp viện VNIMI gồm tiêu địa chất mỏ khống sàng như: chiều dày, góc dốc, độ ổn chiều dày, góc dốc v.v… 1.2.2 Kết đánh giá Kết đánh giá cho thấy, hầu hết mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh phải để lại phần lớn trữ lượng trụ bảo vệ cơng trình bề mặt địa hình khơng khai thác (khoảng  41% tổng trữ lượng địa chất huy động) Trong đó, tập trung nhiều mỏ Núi Béo với 41% trữ lượng phải để lại làm trụ bảo vệ, mỏ Hà Lầm (khoảng 38%) mỏ Mạo Khê (khoảng 19%) (xem hình 1.1) 180000 160000 169.162 Trữ lượng địa chất tồn mỏ 147.703 144.536 140000 Trữ lượng than cần chèn lò 106.911 120000 100000 80000 60000 40000 27.632 (19%) 20000 6.980 (4%) 56.797 69.830 (38%) 52.282 28.538 (41%) 2.962 (6%) 9.234 (9%) Mạo Khê Vàng Danh Hà Lầm Núi Béo Tên mỏ Mơng Dương Khe Chàm Hình 1.1 Trữ lượng than cần khai thác chèn lò trữ lượng địa chất tồn mỏ số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Phần lớn trữ lượng đối tượng cơng trình cơng nghiệp (Nhóm 1) có u cầu khắt khe mức độ biến dạng bề mặt đường điện, đường quốc lộ, sân cơng nghiệp mỏ, moong khai thác lộ thiên với 64,7 triệu (tương đương 49% trữ lượng chèn lò) Trong đó, tập trung chủ yếu mỏ Núi Béo (28,5 triệu tấn, tương đương 21,6%), Mạo Khê (19,8 triệu tấn, tương đương 15%) Hà Lầm (16,3 triệu tấn, tương đương 12,4%) Trữ lượng than nằm khu vực dân cư (nhóm 2) khoảng 43 triệu chiếm 33%, phân bố Hà Lầm (40,4 triệu tấn, tương đương 30,6%) Mạo Khê (2,5 triệu tấn, tương đương 1,9%) Ngồi ra, trữ lượng than nằm đối tượng chứa nước (nhóm 3) khoảng 24,3 triệu (chiếm 18%) phân bố tương đối đồng khống sàng than Mạo Khê, Vàng Danh, Mơng Dương Khe Chàm Trong đó, phần trữ lượng than nằm đối tượng chứa nước khống sàng Mạo Khê khoảng 5,2 triệu (3,9%), Vàng Danh khoảng 6,9 triệu (5,3%), Mơng Dương 2,9 triệu (2,2%) Khe Chàm khoảng 9,2 triệu chiếm 7% tổng trữ lượng cần chèn lò vùng Quảng Ninh) (xem hình 1.2) 64.731,3 (49%) Trữ lượng than (1000T) 70000 60000 43.018,2 (33%) 50000 40000 30000 24.394,0 (18%) 20000 10000 Đối tượng chứa nước Khu dân cư Các cơng trình cơng nghiệp Cơng trình cần bảo vệ Hình 1.2 Phân bố trữ lượng nhóm cơng trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt mỏ vùng Quảng Ninh CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THAM SỐ CẦN TỐI ƯU HĨA TRONG CƠNG NGHỆ CHÈN LỊ BẰNG SỨC NƯỚC KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CƠNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ VÙNG QUẢNG NINH 2.1 Khái qt tham số CNKT chèn lò sức nước Về chất CNKT chèn lò sức nước bao gồm cơng việc: chuẩn bị ruộng mỏ, khấu than, chống giữ lò chợ, điều khiển đá vách, vận tải, thơng gió, nước, v.v tương tự CNKT khác Điểm khác biệt chủ yếu cơng tác điều khiển đá vách việc đưa VLC vào điền đầy khoảng khơng gian khai thác - gọi cơng nghệ chèn lò Các tham số liên quan đến cơng tác khấu than chống giữ lò chợ, vận tải than, thơng gió, nước, v.v , nghiên cứu đầy đủ số cơng trình nghiên cứu tác giả giới A.C Burtracov, A.C Malkin, M.I Uxchinov, K.F Sapitski, A.K Porsevski, J Palarski, D.R Korovin,.v.v hay nước 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 khơng nghiên cứu tham số liên quan đến vấn đề nêu mà tập trung nghiên cứu tham số cơng nghệ chèn lò Quy trình cơng nghệ chèn lò sức nước bao gồm: (1) Lựa chọn, gia cơng VLC; (2) Vận chuyển VLC sức nước vào khu vực chèn lò; (3) Thi cơng khối chèn tách nước khỏi khối chèn Lựa chọn, gia cơng VLC cơng tác quan trọng đầu tiên, định đến hiệu - kinh tế kỹ thuật cơng nghệ chèn lò Các tính chất VLC thường xem xét q trình lựa chọn, gia cơng VLC gồm: tính chất lý thân hạt vật liệu, tỷ lệ phối trộn thành phần vật liệu; hình dạng, kích thước hạt mức độ đồng cỡ hạt Giá trị định lượng cho tính chất coi tham số cơng nghệ chèn lò Việc xác định đâu tham số bản, ảnh hưởng lớn đến hiệu chèn lò, phụ thuộc vào loại VLC cụ thể Vận chuyển VLC sức nước đường ống tn theo quy luật dòng chảy ống Các phương pháp vận tải sức nước đường ống gồm: vận tải với cột áp máy bơm (vận tải có áp); vận tải nhờ cột áp tự nhiên chênh lệch độ cao điểm đầu cuối đường ống (vận tải khơng áp) Trong thực tế, cơng nghệ chèn lò sức nước giới thường áp dụng phương pháp vận tải khơng áp với tham số gồm: Đường kính đường ống; Độ nhám thành ống; Số lượng điểm nút sức cản cục điểm nút; Tỷ lệ chênh lệch độ cao (H) khoảng cách theo phương ngang (L) điểm đầu điểm cuối hệ thống vận chuyển (H/L) Đối với vận tải có áp, ngồi tham số trên, có tham số vận tốc dòng chảy Ngồi ra, tính chất VLC ảnh hưởng đến hiệu hệ thống vận tải sức nước đường ống Việc thi cơng khối chèn gồm cơng tác: dựng thành be (cốp pha) cho khối chèn, đưa ống vận chuyển đổ VLC vào khối chèn, thu hồi ống vận chuyển khối chèn điền đầy, nước tách hồn tồn khỏi khối chèn cơng tác thi cơng khối chèn coi kết thúc Thi cơng khối chèn thực theo bước chèn, sau chu kỳ khai thác Việc lựa chọn bước chèn lò kích thước khối chèn thi cơng lần có ảnh hưởng đến tổ chức sản xuất, qua ảnh hưởng đến cơng suất, suất lò chợ, đồng thời ảnh hưởng đến độ hạ vách thời gian thực chu kỳ khai thác - chèn lò, ảnh hưởng đến hiệu bảo vệ bề mặt đất Vì vậy, kích thước khối chèn (bao gồm bước chèn) tham số cơng nghệ chèn lò sức nước Trong q trình thi cơng khối chèn, VLC lại khối chèn, nước khỏi khối chèn qua thành be (cốp pha) Tốc độ nước khỏi khối chèn hình thức thấm qua khối chèn tn theo quy luật thấm, phụ thuộc chủ yếu vào hệ số thấm VLC Như vậy, hệ số thấm VLC, giá trị định lượng hình dạng, kích thước tổng thể khối chèn tham số cơng nghệ chèn lò sức nước 12 sức nước đường ống nhờ cột áp tự nhiên Tham số thể thơng số hệ thống vận chuyển sức nước khơng phụ thuộc giá trị tuyệt đối chênh cao hay khoảng cách vận chuyển, mà giá trị tương đối phụ thuộc vào chênh lệch chiều cao vận chuyển khoảng cách vận chuyển (theo phương ngang) Trường hợp vận chuyển VLC sức nước đường ống có áp Tham số tỷ lệ (H/L) cần thiết để xác định cột áp bổ sung (chọn máy bơm) Do đó, tỷ lệ chênh cao khoảng cách vận chuyển (H/L) tham số cơng nghệ cần tối ưu hóa áp dụng cơng nghệ chèn lò sức nước cho vùng than Quảng Ninh 2.3.2 Các tham số thi cơng khối chèn Các tham số cơng tác thi cơng khối chèn gồm bước chèn lò kích thước khối chèn lần thi cơng Kích thước khối chèn có ảnh hưởng đến: tổ chức sản xuất, qua ảnh hưởng đến cơng suất, suất lò chợ; độ hạ vách Đá vách hạ xuống gây dịch động, biến dạng bề mặt đất, bước chèn tham số ảnh hưởng đến mức độ dịch động, biến dạng bề mặt đất Việc nghiên cứu mối quan hệ cho phép lựa chọn bước chèn tối ưu, vừa đảm bảo tiêu dịch động, biến dạng bề mặt đất giới hạn cho phép cơng trình, đồng thời làm sở xây dựng biểu đồ tổ chức sản xuất hợp lý 2.3.3 Các tham số q trình tách nước khỏi khối chèn Khi thi cơng khối chèn, nước thấm qua khối chèn chảy vào thể thống thu nước, tích tụ phía khối chèn tạo thành cột nước Điều phụ thuộc vào khả thấm nước khối chèn Do đó, tính tốn thiết kế cơng tác thi cơng khối chèn, cần xem xét đến khả thấm nước để xây dựng thành be, hố thu nước phù hợp để lựa chọn áp dụng giải pháp tách nước sơ khối chèn có khả thấm thấp Điều kiện để q trình thi cơng khối chèn khơng tạo thành cột nước bề mặt lưu lượng nước chảy vào khối chèn (QN) phải khơng lớn lưu lượng (tốc độ) nước khỏi khối chèn (QF): QN ≤ QF (2.5) Giá trị QF phụ thuộc vào thơng số: Lưu lượng nước chảy vào khối chèn (QN - ảnh hưởng tới hpr); Hệ số thấm VLC (Kf); Hệ số dòng chảy tầng (liên quan đến thành phần, cấp hạt vật liệu); Chiều cao thẳng đứng tầng khai thác (H); Kích thước cột khai thác theo phương (Lc - ảnh hưởng tới hd); Chiều dài theo phương khối chèn (Lp); Góc dốc vỉa than (); Chiều dày vỉa than (m) Như vậy, tham số cơng nghệ cần tối ưu hóa liên quan đến tốc độ tách nước khối chèn gồm: Hệ số thấm VLC (Kf), tỷ lệ thành phần, cấp hạt vật liệu 13 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THAM SỐ CƠNG NGHỆ CHÈN LỊ BẰNG SỨC NƯỚC ĐỂ KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CƠNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ VÙNG QUẢNG NINH 3.1 Lựa chọn loại VLC phù hợp cho cơng nghệ chèn lò sức nước vùng Quảng Ninh Luận án tập trung nghiên cứu vào nguồn vật liệu sẵn có vùng Quảng Ninh gồm: (1) tro xỉ nhà máy nhiệt điện, (2) xít thải từ nhà máy tuyển (3) đất đá thải Việc sử dụng nguồn VLC góp phần: (1) Giảm chi phí vận chuyển, vùi lấp bãi thải, hồn ngun mơi trường; (2) Giảm mức độ phát thải hoạt động khai thác mỏ; (3) Góp phần giải vấn đề thiếu dung tích đổ thải vùng Quảng Ninh 3.1.1 Thí nghiệm số tính chất lý vật liệu 3.1.1.1 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng vật liệu Thí nghiệm xác định khối lượng riêng vật liệu thực theo TCVN 4195:12 Các kết thí nghiệm tổng hợp bảng 3.1 Bảng 3.1 Kết thí nghiệm xác định khối lượng riêng vật liệu Khối lượng riêng Trung bình TT Tên mẫu D (g/cm3) Dtb (g/cm3) Tro đáy mịn 2,431 Tro đáy mịn 2,454 2,45 Tro đáy mịn 2,457 Tro đáy mịn 2,451 Tro đáy thơ 2,408 2,40 Tro đáy thơ 2,401 Tro bay 2,253 2,27 Tro bay 2,279 Xít thải 1,924 1,92 10 Xít thải 1,919 3.1.1.2 Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích vật liệu Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích vật liệu thực theo TCVN 4202:2012 Kết thí nghiệm xem bảng 3.2 Bảng 3.2 Kết thí nghiệm xác định khối lượng thể tích vật liệu Khối lượng riêng Trung bình TT Tên mẫu D (g/cm ) Dtb (g/cm3) Tro đáy mịn 1,133 Tro đáy mịn 1,150 1,19 Tro đáy mịn 1,243 Tro đáy mịn 1,247 Tro đáy thơ 1,335 1,33 14 Tro đáy thơ 1,327 Tro bay 0,527 0,52 Tro bay 0,517 Xít thải 1,265 1,26 10 Xít thải 1,251 3.1.1.3 Thí nghiệm xác định thành phần cỡ hạt vật liệu Thí nghiệm thành phần cỡ hạt vật liệu thực theo TCVN 4198 : 12 3.1.2 Phân tích, đánh giá kết thí nghiệm Đá xít thải có KLR 1,92 g/cm³; khối lượng thể tích khoảng 1,26 g/cm³; cỡ hạt từ  20 mm, chủ yếu từ ÷ 20 mm (chiếm 70% khối lượng), cỡ hạt ≤0,1 mm chiếm khoảng 1,36% khối lượng Thành phần đá xít thải chủ yếu sét, sét kết mềm yếu, dễ bở rời gặp nước, ngồi tồn lượng khơng nhỏ hàm lượng sét có cỡ hạt ≤0,25mm Đây yếu tố bất lợi sử dụng làm VLC sức nước Tro bay có KLR trung bình 2,27 g/cm³; khối lượng thể tích khoảng 0,52 g/cm³ Tro bay tinh cầu tròn, siêu mịn có cỡ hạt nhỏ đồng đều, kích thước cỡ hạt từ  0,25 mm, hạt từ 0,005 ÷ 0,01mm chiếm 65% khối lượng, hạt từ 0,005 ÷ 0,1 mm chiếm khoảng 99,6% khối lượng Như vậy: + Với thành phần hạt siêu mịn, tro bay vận tải sức nước trạng thái huyền phù lơ lửng dòng chảy dễ dàng vận tải; + Nếu xét theo tiêu chuẩn Liên Xơ (cũ) Ba Lan, tro bay dạng riêng biệt (khơng pha trộn với vật liệu khác) có gần 100% cỡ hạt ≤0,01mm, khối chèn từ tro bay có khả chịu tải thấp + Do cỡ hạt nhỏ, hạt tro bay thường xếp đặc xít lại với nhau, khó nước khỏi khối chèn Một số tro bay có chứa hàm lượng chất kết dính dạng Pozzolan cao, lượng nước hỗn hợp khơng nhiều khơng có tượng nước mà thành khối chèn rắn  tro bay phù hợp vai trò kết hợp với vật liệu khác làm VLC sức nước Tro đáy mịn tro đáy thơ có KLR khoảng 2,40 ÷ 2,45 g/cm³; KL thể tích khoảng 1,2 ÷ 1,3 g/cm³; có cỡ hạt gần tương đồng với với đa số hạt từ 0,1 ÷ mm, chiếm khoảng 80% Tuy nhiên, tro đáy mịn có nhiều hạt 2mm tro đáy thơ có chứa khoảng ÷ 10% hạt có kích thước từ ÷ 5mm, đơi có hạt 10mm Nếu sử dụng tro đáy làm VLC thủy lực có khối chèn lý tưởng với tính chất nước nhanh, chịu áp lực lớn với mức độ co ngót, biến dạng nhỏ Tuy 15 nhiên, tro đáy khó vận chuyển đường ống thủy lực, có tỷ trọng lớn (2,4 ÷ 2,45 g/cm3), vận tốc dòng chảy khơng đủ lớn nhanh chóng chìm xuống đáy gây tắc ống Nếu kết hợp tro đáy với tro bay theo tỷ lệ phù hợp tạo thành hỗn hợp VLC vừa có khả vận chuyển sức nước, vừa đáp ứng u cầu chất lượng khối chèn Do đó, luận án lựa chọn nghiên cứu tối ưu hóa tham số cơng nghệ chèn sức nước nước với VLC hỗn hợp tro đáy tro bay 3.2 Nghiên cứu tối ưu hóa tham số VLC 3.2.1 Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn VLC theo độ co ngót u cầu khối chèn - Phương pháp tối ưu: phương pháp nén phòng thí nghiệm Cách thức thí nghiệm: (1) Trộn VLC theo tỷ lệ (1TB : 4TĐ; 1N : 2TB : 4TĐ; 1N : 2TB : 6TĐ ); (2) Nén đơn trục điều kiện khơng nở hơng; (3) Ghi lại giá trị đo biến dạng - Kết thí nghiệm: Tỷ lệ co ngót mẫu vật liệu áp lực nén từ ÷ 1,2 MPa dao động khoảng ÷ 20% Trong đó, tỷ lệ tro đáy cao mức độ co ngót nhỏ Tuy nhiên, tỷ lệ tro bay cao độ liên kết mẫu vật liệu tốt Các mẫu có tỷ lệ tro đáy lớn (trên 90%) sau khơ thường bở rời cát có độ liên kết kém, mẫu có từ 10% tro bay thường có độ liên kết tốt 3.2.2 Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn VLC theo khả vận chuyển sức nước - Lựa chọn phương pháp tối ưu: thí nghiệm mơ hình mơ hệ thống đường ống vận chuyển VLC sức nước - Xây dựng mơ hình: Luận án tiến hành thử nghiệm mơ hình mơ hệ thống đường ống vận chuyển VLC sức nước Mơ hình thứ với tỷ lệ đường kính ống mơ hình : đường kính ống thực tế (dự kiến ống HDPE với Φ100) xấp xỉ 1:5, sử dụng ống nhựa PVC đường kính Φ19 làm đường ống vận chuyển Mơ hình thứ hai có tỷ lệ xấp xỉ 1:2, sử dụng ống nhựa PVC Φ46 (xem hình 3.1) +7,1 +13,1 +16,5 +1,7 ±0 Hình 3.1 Mơ hình thí nghiệm 16 Các kết thí nghiệm cho thấy, hàm lượng tro bay nước khơng đủ, tro đáy thường lắng đọng đường ống gây tắc nghẽn, đặc biệt điểm nút Còn hàm lượng tro bay q lớn, hỗn hợp trở nên khơ cứng, vón cục tính lỏng để chảy Thí nghiệm xác định tỷ trọng hỗn hợp nước với tro bay khoảng D = 1,36 ÷ 1,38 g/cm³ hợp lý, tỷ lệ nước : tro bay hợp lý (1N : aTB) với a có giá trị từ (tro khơ) đến 3,1 (tro ẩm ướt) Tỷ lệ tối ưu nước với tro bay tro đáy có dạng (1N : (2 ÷3,1)TB : bTĐ) Trong đó, số b phụ thuộc vào cỡ hạt tro đáy, cỡ hạt tro đáy nhỏ số b lớn Với tro đáy có cỡ hạt ≥4 mm, số b thường < 1; cỡ hạt tro đáy từ ÷ 4mm, giá trị b đến 1,5 Để xác định tỷ lệ hỗn hợp tối ưu thực tế, cần thay đổi lượng tro đáy hỗn hợp đến nhận tỷ trọng hỗn hợp khoảng D = 1,48 ÷ 1,56 g/cm³ Hỗn hợp có tỷ trọng D lớn thường xun gây tắc ống Nếu coi tỷ lệ nước : tro bay có dạng (1N : aTB), ta có: 𝑉ℎℎ 𝐷 = 𝑉𝑛 (𝛾𝑛 + 𝑎𝛾𝑇𝐵 )/𝑉ℎℎ hay 𝑎 = 𝛾 × (𝐷 𝑉𝑛 − 𝛾𝑛 ) (3.1) 𝑡𝑏 Trong đó: Vn - Thể tích nước tham gia hỗn hợp; Vhh - Thể tích hỗn hợp nước với tro bay; γn, γtb - Thể trọng nước tro bay Như vậy, tỷ trọng hỗn hợp TB:N tối ưu tỷ lệ thể tích (a) tro bay xác định theo cơng thức (3.1), D1 số thực nghiệm, có thứ ngun [g/cm³] Trong trường hợp mơ hình thử nghiệm, giá trị tối ưu nằm khoảng D = 1,36 ÷ 1,38 g/cm³ 3.2.2 Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn VLC theo hệ số thấm - Lựa chọn phương pháp tối ưu: thí nghiệm cột áp khơng đổi theo TCVN 8723:2012 Nghiên cứu thực tổng số 06 mẫu thí nghiệm với tỷ lệ phối trộn tro bay, tro đáy khác Trong đó, 05 mẫu xác định hệ số thấm, 01 mẫu khơng xác định Từ kết thí nghiệm, luận án xây dựng đồ thị hình 3.2 Hình 3.2 Kết xác định mối quan hệ tỷ lệ thành phần tro bay với hệ số thấm hỗn hợp vật liệu chèn (tro bay + tro đáy) 17 Phân tích kết thí nghiệm cho thấy, với mẫu thí nghiệm gồm 100% tro đáy cho kết hệ số thấm lớn (0,0149 cm/s) Hệ số thấm giảm dần theo gia tăng tỷ lệ thành phần tro bay hỗn hợp vật liệu Khi tỷ lệ thành phần tro bay hỗn hợp 50%, khơng thể đo hệ số thấm dụng cụ thí nghiệm sử dụng Như vậy, hệ số thấm hỗn hợp VLC từ tro đáy, tro bay tỷ lệ nghịch với tỷ lệ thành phần tro bay hỗn hợp, tỷ lệ bay hỗn hợp khoảng 50% lớn hơn, khối chèn khó tách nước Như vậy, tỷ lệ tro bay hỗn hợp tỷ lệ thuận với khả vận chuyển VLC sức nước đường ống, tỷ lệ nghịch với độ co ngót khối chèn hệ số thấm VLC Trường hợp tỷ lệ khơng thể đáp ứng đồng thời u cầu vận chuyển sức nước, độ co ngót khối chèn hệ số thấm Để giải vấn đề áp dụng số giải pháp, như: tách nước tro bay sơ trước đưa vào khối chèn; sử dụng phụ gia xi măng phụ gia đơng kết khác để thi cơng khối chèn khơng tiết nước 3.3 Nghiên cứu tối ưu hóa tham số vận chuyển VLC thi cơng khối chèn 3.3.1 Nghiên cứu tối ưu hóa tham số tỷ lệ chênh cao khoảng cách vận chuyển (H/L) Để tối ưu hóa tỷ lệ chênh cao khoảng cách vận chuyển (H/L), luận án tiến hành xem xét tốn xây dựng cơng suất hệ thống vận chuyển VLC sức nước theo cơng trình nghiên cứu Viện mỏ IGD(Liên Xơ cũ) Kết cho thấy, cơng suất hệ thống vận chuyển VLC phụ thuộc tỷ lệ L/H (hay l/h) Mặt khác, tăng tỷ lệ L/H đến giá trị định, cơng suất vận tải VLC QR hệ thống giảm xuống theo đồ thị dạng hypebol Các thơng số lại thay đổi lớn tỷ lệ L/H vượt qua giá trị 5,3 (được gọi giá trị (L/H)’) Điều lý giải sau: L/H < (L/H)’ giá trị p - tỷ trọng dung dịch VLC giá trị giới hạn 𝑝 = 𝛾′𝑝.𝑚 cơng suất hệ thống tiến tới giá trị tối đa với vận tốc vận tải lớn vận tốc tới hạn Còn L/H > (L/H)’ giá trị p nhỏ giá trị giới hạn 𝛾′𝑝.𝑚 Điều cho thấy, hiệu suất tối ưu hệ thống vận tải đạt 𝑝 = 𝛾′𝑝.𝑚 Trong trường hợp tuyến đường vận tải lớn giá trị cho phép, tức tỷ lệ (L/H)>(L/H)GH, để đảm bảo khơng bị tắc ống vận hành, cần giảm tỷ trọng giới hạn dòng chảy VLC 𝛾′𝑝.𝑚 Giá trị 𝛾′𝑝.𝑚 tính tốn theo cơng thức: 18 𝑙 𝛾′𝑝.𝑚 = (1−𝐾𝑄 𝑄𝑡2 )+(𝐾−𝐾𝑄 𝑄𝑡2 )𝐻 𝐾 (3.2) 𝑙 𝐻 Trong đó: l - chiều dài theo phương ngang phần dòng chảy VLC tỷ trọng giới hạn (𝛾′𝑝.𝑚 ) Như vậy, kết nghiên cứu cho thấy, ngồi tham số hệ thống đường ống tỷ lệ (H/L), đường kính ống, độ nhám thành cống sức cản cục bộ, cơng suất hệ thống vận chuyển VLC phụ thuộc lớn vào tỷ trọng hỗn hợp VLC với nước 3.3.2 Tối ưu hóa đường kính ống vận chuyển Để xác định đường kính ống tối ưu, cần cho trước điều kiện lưu lượng dòng chảy u cầuvà qng đường vật chuyển vật liện chèn sức nước Lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy đường kính theo cơng thức: 3600.𝑣 𝜋.𝐷 2 𝑄ℎℎ = , m3/giờ (3.3) Trong đó: v2 - vận tốc dòng chảy khỏi miệng ống vận tải VLC, m/s; D - đường kính ống vận tải VLC Vận tốc v2 xác định dựa phương trình cân lượng Becnoulli mặt cắt 1-1 (tại điểm đầu) mặt cắt 2-2 (điểm cuối) với mặt chuẩn mức cao điểm Sau tính tốn vận tốc v2, thay vào cơng thức (3.3) ta có phương trình: 𝐻= 𝑄ℎℎ [𝜀 2𝑔(900𝜋𝐷 )2 + 𝛴𝐿 𝐷 2∆ (2𝑙𝑔 +1,74)2 𝐷 ] (3.4) Giải phương trình nói nhận giá trị đường kính ống tối ưu 3.4 Xác lập mối quan hệ độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt phương pháp mơ hình số hóa 3.4.1 Xây dựng mơ hình số mơ lò chợ khai thác chèn lò - Lựa chọn thơng số đầu vào: Chiều dày vỉa than mơ phỏng: 3m, Độ sâu khai thác mơ hình: 200m - Các thơng số đất đá mơ phỏng: tương tự với đặc điểm địa tầng đặc trưng vùng Quảng Ninh, gồm (1) Các lớp sét kết, bột kết, cát kết cuội kết xen kẽ với chiều dày lớp trung bình 10m; (2) Vỉa than - Đặc điểm mơ hình: dạng 2D, kích thước 500x200m (chiều dài x chiều sâu) Vật liệu biến dạng dẻo (Strain - Softening) mơ vỉa than; Vật liệu đàn hồi dẻo (Mohr - Coulomb) thể đất đá vách trụ vỉa Vật liệu đàn hồi (Double - yield) thể VLC 3.4.2 Khai thác lò chợ chèn lò mơ hình số - Trình tự khai thác mơ hình: khai thác với bước chèn 4m (cứ bước khai thác 4m tiến hành chèn lò 4m) (xem hình 3.3) 19 TT Tên đá Cột đòa tầng Mô tả sơ lược lớp đất đá than Chiều dày (m) Lớp đá trầm tích, bò phong hóa, bở rời Màu xám sẫm, gắn kết Màu xám sáng, gắn kết Màu xám sẫm, gắn kết Đất phủ 5,0 Bột kết 15 Cát kết 10 Bột kết 10 Sét kết 10 Bột kết 10 Sạn kết 10 Cát kết 10 Bột kết 10 10 Sét kết 10 Màu xám tối, tơi vụn 11 Vỉa than Than màu đen, ánh mờ 12 Sét kết Màu xám tối, tơi vụn 13 Bột kết 10 Màu xám sẫm, gắn kết Màu xám tối, tơi vụn Màu xám sẫm, gắn kết Màu trắng sáng, gắn kết Màu xám sáng, gắn kết Màu xám sẫm, gắn kết Hình 3.3 Mơ khai thác chèn lò mơ hình số 3.4.3 Kết khai thác lò chợ chèn lò mơ hình số Bảng 3.3 Kết chạy mơ hình với loại VLC khác T Độ co ngót T VLC (%) 20 15 10 Độ sụt lún (mm) 315 235 170 96 Dịch chuyển ngang (mm) 102 76 55 31 Biến dạng ngang (mm/m) 1,7 1,3 0,9 0,5 Độ nghiêng (mm/m) Độ cong (mm/m2) 3,3 2,4 1,8 1,0 0,055 0,041 0,030 0,017 Kết nghiên cứu mối quan hệ độ co ngót VLC mức độ sụt lún bề mặt luận án tương đồng với kết tính tốn lý thuyết xây dựng Viện VNIMI số liệu thu từ quan trắc, theo dõi thực tế khai thác lò chợ chèn lò Trung Quốc CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THAM SỐ CƠNG NGHỆ CHÈN LỊ BẰNG SỨC NƯỚC CHO ĐIỀU KIỆN LỊ CHỢ VM-K8-7 MỨC -150/-110 KHU VŨ MƠN - MỎ THAN MƠNG DƯƠNG 4.1 Lựa chọn khu vực áp dụng thử nghiệm Luận án lựa chọn lò chợ VM-K8-7 mức -150 ÷ -110 thuộc vỉa K8 khu Vũ Mơn - mỏ Mơng Dương để xây dựng tham số cơng nghệ chèn lò sức nước Khai trường khu vực nằm giới hạn sau: phía Bắc mức -150 vỉa K8, phía Nam mức -110 vỉa K8 khu Vũ Mơn, phía Đơng giới hạn trụ bảo vệ suối Khe Chàm trụ bảo 20 vệ đường tơ, đường sắt Cao Sơn song song với suối, phía Tây lò xun vỉa G9-K8-VM mức -97,5 - Đặc điểm vỉa than khai thác: Mv trung bình 2,7 m, v = 30º Vách trực tiếp bột kết với m = 2,1  6,8 m Vách CB cát kết, đơi cuội kết bột kết, m = 10,3 ÷ 29,4 m Trụ trực tiếp bột kết dày từ 6,1 ÷ 7,1m Lp = 143m, Ld = 78m, Qđchđ = 47.300 4.2 Các giải pháp kỹ thuật cơng nghệ 4.2.1 Cơng nghệ khai thác - Khu vực chuẩn bị lò dọc vỉa vận tải mức -150, dọc vỉa thơng gió mức -100 thượng khởi điểm mức -150 ÷ -100 - Luận án lựa chọn vật liệu chống giữ lò chợ giá thủy lực di động XDY, chiều dài lò chợ 78 m, chiều cao khai thác: 2,2 m 4.2.2 Cơng nghệ chèn lò VLC nguồn tro đáy tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Mơng Dương vận chuyển tơ đến tập kết bãi chứa mặt cửa lò ngầm +60 ÷ +30 Sơ đồ ngun lý hệ thống chèn lò lò chợ VM-K8-7 xem hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ ngun lý chèn lò lò chợ VM-K8-7 4.3 Tính tốn xác định số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước lò chợ VM-K8-7 mức -150/-110 4.3.1 Xác định bước chèn lò: - Phương pháp tối ưu: sử dụng mơ hình số FLAC 2D 21 - Xây dựng mơ hình số: Tên đá Cột đòa tầng Chiều dày trung bình (m) Mô tả sơ lược lớp đất đá than Đất phủ 6,0 Bột kết 6,1 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục Lớp đá trầm tích, bò phong hóa, bở rời Cát kết 12,5 Màu xám sáng, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục Bột kết 4,8 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục V.II (11) 5,3 Cát kết 21,4 Màu xám sáng, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục Than màu đen, ánh mờ, mẫu cục vụn Bột kết 7,9 V.Ha(10a) 0,85 Bột kết 3,0 10 Sét kết 3,2 Màu xám tối, mẫu vụn 11 Bột kết 8,2 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 12 V.H(10) 1,9 Than màu đen, ánh mờ, mẫu cục vụn 13 Sét kết 6,8 Màu xám tối, mẫu vụn 14 Cát kết 11,6 Màu xám sáng, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 15 Sạn kết 14,7 Màu trắng sáng, gắn kết chắc, mẫu cục thỏi 16 Bột kết 4,5 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 17 V.G(9) 5,0 Than màu đen, ánh mờ, mẫu cục vụn 18 Sét kết 2,1 Màu xám tối, mẫu vụn 19 Bột kết 11,8 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 20 Cát kết 20,3 Màu xám sáng, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 21 Bột kết 6,7 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 22 V.K(8) 2,7 23 Bột kết 6,8 Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục 24 Cát kết 20,4 Màu xám sáng, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục Than màu đen, ánh mờ, mẫu cục vụn Màu xám sẫm, gắn kết chắc, mẫu thỏi cục Theo phương, m 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Độ sụt lún, mm TT -50 -100 -85 -96 -120 -150 -140 -200 Bước chèn 2m Bước chèn 8m -175 Bước chèn 4m Bước chèn 12m Bước chèn 6m xtối ưu = (m) với F (4) = 88 mm Than màu đen, ánh mờ, mẫu cục vụn 4.3.2 Xác định cơng suất u cầu hệ thống chèn lò Khối Khối lượng Năng suất lượng chèn lò u cầu chèn lò hệ ngày đêm thống chu kỳ 588 m3 417 m3 42 (m3/h) Tiêu hao VLC cho m3 hỗn hợp Lưu lượng nước vận chuyển VLC 335,7 kg (N) : 631,9 kg (TB) : 652,4 kg (TĐ) ≥ 14 m3/ h 4.3.3 Xác định tham số hệ thống vận chuyển vật liệu chèn Đường kính ống dẫn Tốc độ dòng chảy qua đường ống Tốc độ tới hạn hạt lớn dung mơi 150 mm 4,2 m/s 2,8 m/s 22 4.4 Đánh giá hiệu cơng nghệ chèn lò sức nước 4.4.1 Tính tốn dự báo mức độ biến dạng bề mặt địa hình kiểm tra khả đáp ứng u cầu bảo vệ cơng trình mặt Các thơng số dịch chuyển biến dạng bề mặt khai thác chèn lò: độ lún cực đại m = 312 mm, độ nghiêng lớn Iz = 6,0 mm/m, độ biến dạng ngang cực đại z = 3,2 mm/m (giảm 80% mức độ sụt lún so với phương pháp phá hỏa) nằm giới hạn cho phép cơng trình bề mặt đường điện cao 220 kV Như vậy, cơng nghệ chèn lò sức nước đáp ứng u cầu bảo vệ bề mặt 4.4.2 Đánh giá hiệu kinh tế giải pháp CNKT chèn lò sức nước Giá thành tiêu thụ than khai thác Cơng ty than Mơng Dương chèn lò 1.612.278 đồng/tấn, cao 67.652 đồng/tấn so với giá bán bình qn nước năm 2016 1.544.626 đồng/tấn Tuy nhiên, áp dụng thành cơng lò chợ VM-K8-7, cơng nghệ chèn lò mở rộng để khai thác 22,36 triệu trụ bảo vệ mỏ Mơng Dương Như vậy, tuổi thọ mỏ tăng (từ 23-32 năm), giá thành sản xuất giảm nhờ tận dụng cơng trình, thiết bị, v.v có, từ giảm suất đầu tư, nâng cao hiệu dự án đầu tư khai thác mỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT LUẬN Tổng quan kinh nghiệm áp dụng chèn lò giới cho thấy, cơng nghệ khai thác chèn lò sức nước áp dụng tương đối phổ biến hiệu để khai thác trữ lượng than nằm đối tượng, cơng trình cần bảo vệ bề mặt, đặc biệt trường hợp có u cầu mức độ bảo vệ khắt khe Theo kết đánh giá số mỏ hầm lò đặc trưng vùng Quảng Ninh, khoảng 82% tổng số 132,1 triệu trữ lượng than cần chèn lò nằm cơng trình quan trọng đường điện quốc gia, đường quốc lộ, sân cơng nghiệp mỏ, moong khai thác lộ thiên khu dân cư Để khai thác triệt để phần trữ lượng nằm trụ bảo vệ vùng Quảng Ninh nói trên, cơng nghệ khai thác chèn lò sức nước giải pháp tối ưu 23 Trên sở kết nghiên cứu chèn lò sức nước ngồi nước, luận án xác định số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước để nghiên cứu tối ưu, để đảm bảo u cầu về: khả vận chuyển đường ống, khả tách nước khỏi khối chèn độ co ngót khối chèn Theo đó, yếu tố ảnh hưởng đến tham số cơng nghệ chèn lò lựa chọn chủ yếu liên quan đến đặc điểm thành phần, cỡ hạt, khối lượng vật liệu chèn, cụ thể: (1) Khả vận chuyển hỗn hợp vật liệu chèn phụ thuộc vào tỷ trọng, kích thước cỡ hạt, tỷ lệ phối trộn, (2) Khả tách nước khối chèn định hệ số thấm vật liệu chèn; (3) Độ co ngót khối chèn ảnh hưởng thành phần thạch học, hệ số kiên cố, tỷ lệ thành phần cỡ hạt Luận án xây dựng phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa cho số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước phù hợp với điều kiện mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh bao gồm nghiên cứu lý thuyết, phân tích mẫu phòng thí nghiệm, nghiên cứu mơ hình thực nghiệm mơ hình số Q trình nghiên cứu tối ưu hóa số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước cho phép rút số kết luận sau: tỷ lệ tro bay hỗn hợp (tro bay, tro đáy) tỷ lệ thuận với khả vận chuyển vật liệu chèn sức nước đường ống, tỷ lệ nghịch với độ co ngót khối chèn hệ số thấm vật liệu chèn Thơng qua kết nghiên cứu tính tốn giá trị dịch chuyển biến dạng bề mặt khai thác lò chợ chèn lò mơ hình số FLAC 2D, luận án xác định mối quan hệ độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt vùng Quảng Ninh, tn theo hàm số tuyến tính Y = 14,44x(25-2b) + 23,5 (với bước chèn tối ưu 4m) Kết nghiên cứu luận án tương đồng với kết nghiên cứu lý thuyết Viện VNIMI số liệu quan trắc, theo dõi thực tế khai thác lò chợ chèn lò Trung Quốc Dựa kết nghiên cứu tối ưu hóa số tham số cơng nghệ chèn lò sức nước, luận án tiến hành tính tốn thiết kế áp dụng cơng nghệ khai thác chèn lò sức nước cho điều kiện lò chợ VM-K8-7 mức -150 ÷ -110 thuộc vỉa K8 khu Vũ Mơn - mỏ than Mơng Dương Qua tính tốn thiết kế cho thấy, việc áp dụng cơng nghệ khai thác chèn lò sức nước điều kiện mỏ than Mơng Dương 24 khả thi mặt kỹ thuật, hiệu mặt kinh tế, giúp cho mỏ huy động khai thác tối đa phần trữ lượng than trụ bảo vệ đồng thời đảm bảo an tồn cơng trình bề mặt địa hình II KIẾN NGHỊ Trong giới hạn phạm vi nghiên cứu, luận án tập trung nghiên cứu số tham số hỗn hợp vật liệu chèn gồm nước, tro đáy tro bay mà chưa thể đề cập xem xét đánh giá hết tham số khác ảnh hưởng đến cơng nghệ chèn lò sức nước Để hồn thiện kết nghiên cứu, tác giả đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu số vấn đề sau: - Cần tiếp tục nghiên cứu khả sử dụng tỷ lệ phụ gia đơng kết khối vật liệu chèn để khơng phải thiết kế thêm hệ thống thu nước dùng máy bơm nước, khả vận chuyển hỗn hợp vật liệu chèn có phụ gia đơng kết đường ống - Kết nghiên cứu tỷ lệ hỗn hợp vật liệu chèn tối ưu đáp ứng khả vận chuyển đường ống xây dựng sở thí nghiệm mơ hình thực nghiệm mơ điều kiện thực tế theo tỷ lệ gần sát với thực tế nhất, cho kết mang tính định lượng nghiên cứu thực nghiệm thể chất, quy luật Đề nghị tiếp tục nghiên cứu triển khai việc vận chuyển tỷ lệ hỗn hợp vật liệu chèn nói đường ống thực tế, qua kiểm chứng hồn thiện kết nêu luận án Trên sở kết nghiên cứu luận án, đề nghị Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khống sản Việt Nam cho phép triển khai nghiên cứu áp dụng thử nghiệm cơng nghệ khai thác chèn lò sức nước cho khu vực vỉa than nằm đối tượng, cơng trình cần bảo vệ bề mặt mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhằm đảm bảo huy động tối đa nguồn tài ngun than vào khai thác, kéo dài tuổi thọ mỏ, giảm chi phí suất đầu tư nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh cho doanh nghiệp./ ệu chèn hợp lý cơng nghệ khai 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 11 Vũ Thành Lâm, Đào Hồng Quảng, Phạm Trung Ngun (2014), “Nghiên cứu lựa chọn VLC hợp lý CNKT điều khiển vách chèn lò sức nước cho điều kiện vỉa than khu Cánh Nam - Cơng ty than Mạo Khê”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ tồn quốc lần thứ XXIV, tr 269 276 Vũ Thành Lâm, Nguyễn Anh Tuấn, Đào Hồng Quảng, Dương Đức Hải (2014), “Study on the proper backfill materials in coal mining using backfill technology at Canh Nam area of Mao Khe coal mine”, International Conference on Advances in Mining and Tunnelling (ICAMT 2014), tr 120 - 127 Vũ Thành Lâm, Lê Đức Ngun, Lê Văn Hậu (2016), “Nghiên cứu mơ hình số xác định mức độ chèn lấp khoảng trống khai thác CNKT chèn lò”, Tạp chí Cơng nghiệp mỏ, (5), tr 80 - 84 Vũ Thành Lâm, Lê Đức Ngun, Phạm Trung Ngun, Dương Đức Hải (2016), “Nghiên cứu lựa chọn tro, xỉ nhà máy nhiệt điện, đá thải bã sàng làm vật liệu chèn lò mỏ than hầm lò thuộc TKV”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ tồn quốc lần thứ XXV, tr 195 - 200 Vũ Thành Lâm, Trần Văn Thanh, Đào Hồng Quảng, Lê Đức Ngun, Dương Đức Hải (2016), “Study on the use of back-filling materials from coal-fired power plant for preventing ground subsidence at the Quangninh coal basin”, International Conferences on earth sciences and sustainable geo-resources development (the ESASGD 2016) Vũ Thành Lâm (2016), “Nghiên cứu đánh giá khả sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện CNKT chèn lò sức nước mỏ hầm lò vùng than Quảng Ninh”, (11+12), Tạp chí Than - Khống sản Việt Nam ... CẦN TỐI ƯU HĨA TRONG CƠNG NGHỆ CHÈN LỊ BẰNG SỨC NƯỚC KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CƠNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ VÙNG QUẢNG NINH 2.1 Khái qt tham số CNKT chèn lò sức nước Về chất CNKT chèn lò sức nước bao gồm... chưa có cơng trình nước nghiên cứu chun sâu, xác định giá trị tối ưu Do đó, luận án Tối ưu hóa tham số cơng nghệ chèn lò sức nước khai thác than cơng trình cần bảo vệ mặt mỏ vùng Quảng Ninh có... (H/L) tham số cơng nghệ cần tối ưu hóa áp dụng cơng nghệ chèn lò sức nước cho vùng than Quảng Ninh 2.3.2 Các tham số thi cơng khối chèn Các tham số cơng tác thi cơng khối chèn gồm bước chèn lò kích