Thông tin tài liệu
Page 1/14 Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện địa học đường lò đến hiệu suất, tiêu hao cắt combai đào lò đá rắn cứng - số đề xuất Considerations the effects of geotechnical condition for the performance and bit wear rate of roadheader in hard rock – some proposals Tác giả: TS Đào Văn Canh Bộ mơn Xây dựng Cơng trình Ngầm Mỏ - Đại học Mỏ địa chất KS Phạm Tiến Vũ (phamtienvu@gmail.com) Phịng Cơng nghệ Xây dựng Cơng trình Ngầm Mỏ Viện Khoa học Công nghệ Mỏ Tóm tắt Ngày nay, cơng nghiệp xây dựng cơng trình ngầm mỏ, combai đào lò (roadheader) trở thành thiết bị khai đào giới phổ biến Những loại máy sử dụng chủ yếu để khai đào đất đá mềm đến cứng trung bình Gần loại combai đào đá cứng tới cứng xuất nhiều cơng trình nước có cơng nghiệp hầm mỏ phát triển Tuy nhiên việc áp dụng combai đào lò đem lại hiệu kinh tế cịn gặp phải nhiều khó khăn, phần nhiều khó khăn có liên quan trực tiếp đến điều kiện địa học khu vực đường lò qua Bài báo đề cập tới ảnh hưởng điều kiện địa học đến hiệu suất tiêu hao cắt combai đào lò đá rắn cứng, đồng thời đưa số đề xuất lựa chọn combai đào lò đá rắn cứng cho mỏ hầm lò Việt Nam Abstract Nowaday, roadheaders are one of the most popular mechanized excavators used in mining and civil underground construction These machines are primarily used in soft to medium hard rocks In recent years, some kinds of roadheader are introduced in developed underground mining countries However, there are a lot of difficulty in economical application, most of them are related with geotechnical conditions directly This paper reviews the geotechnical conditions which influence the performance and bit wear rate of hard rock roadheaders and bring out some proposals in choosing a suitable roadheader for Vietnamese underground and mining Nền tảng Các combai truyền thống hoạt động đất đá trầm tích với cường độ kháng nén tự nhỏ 100 MPa (~15000 psi) Đơi chúng đào đá rắn cứng với điều kiện có xuất nứt nẻ, mặt phân lớp mặt liên kết yếu khác Khi cường độ đất đá, đặc biệt có suất silica tăng lên hiệu suất combai bị giảm cách rõ rệt Các lí bao gồm: • Sự khơng đáp ứng công cụ cắt để tạo lực xun nhập cao; • Sự khơng thích hợp máy để trì cắt khả để hoạt động; • Trọng lượng khối combai nhỏ không đủ để đáp ứng lại phản lực tác động lại; • Sự thiếu hụt thơng tin tính chất vật lí đất đá liên quan Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tiêu hao cắt combai kể đến như: • Các thơng số đá chẳng hạn như: cường độ kháng nén kháng kéo, phần trăm lượng khoáng cứng độ mài mòn cao (vd: hàm lượng quartz), kiến trúc đá, kiểu chất độ cứng, tính chất học phương chiều thành phần khống, đặc tính đàn hồi vật liệu đá Page 2/14 • Các điều kiện đại chất xung quanh cơng trình chẳng hạn như: độ nứt nẻ (RQD), điều kiện nứt nẻ, nước ngầm, vùng phay phá, vị trí gương giao nhau, phân loại khối đá chung u cầu chống giữ • Các thơng số kỹ thuật máy bao gồm: trọng lượng máy, công suất đầu cắt, lực dẫn tiến, bán kính cong, khả nâng hạ cần khấu, kiểu đầu cắt (dọc trục ngang trục), kiểu cắt, kích cỡ, thơng số kỹ thuật khác, số lượng kiểu bố trí đầu cắt, khả hệ thống hỗ trợ • Các thơng số hoạt động chẳng hạn như: tiết diện, kích cỡ, chiều dài gương hầm, độ nghiêng hầm, đường rẽ hay vị trí giao cắt, phối hợp cắt tính hỗ trợ hoạt động, số lượng điều kiện đá đường hầm, phương pháp chống giữ móng, lịch trình công việc: số ca làm việc ngày, số ngày làm việc tuần vv Các đầu cắt combai với cắt bọc vật liệu cacbua giải toán khai đào vào đá nguyên khối máy combai khai đào kiểu cần (roadheaders) Tuy nhiên, loại đất đá chứa hàm lượng silic cao làm giới hạn phạm vi áp dụng roadheader đá rắn cứng phát sinh nhiệt đầu cắt Một loại cắt bọc bua có chứa hàm lượng ban cải thiện đáng kể độ bền giảm nhiệt sinh đầu Gần đây, vật liệu chế tạo công nghiệp chế tạo thép để chế tạo thân cắt Vật liệu có độ bền độ mài mịn lớn nên chúng ngăn ngừa phá hủy đầu bọc sớm Nhìn chung cắt có cán dài với vật liệu xung quanh đầu bọc vật liệu hỗn hợp có chất lượng tốt chịu đựng tác động lực đỉnh cắt Các phát triển gần chế tạo đầu bọc kiểu lớp kim cương đa tinh thể đĩa cắt với kích thước nhỏ tạo bước đột phá công nghệ cắt Nhiều công cụ cắt để áp dụng cho thiết kế combai đời Điều tạo hiệu lớn việc sử dụng động đầu cắt công suất lớn, cải thiện đáng kể phạm vi áp dụng combai đá có làm lượng silic cao Từ năm 1995 đến năm 1999 chương trình có tên: Nâng cao lực công cụ cắt hệ thống cắt điều kiện đá cứng - “Improvement of the Capabilities of Cutting Tools and Cutting Systems for Hard Rock Conditions” thực Voest- Alpine Bergtechnik GmbH phối hợp Montanuniversität Leoben, Sandvik Rock Tools AB, Association Pour la Recherche et le Developpement des Dethodes et Processus Industriels, Austrian Research Centers Sieberdorf, Thyssen Schachtbau GmbH Sociedade Mineira de Neves Corvo S.A Kết chương trình hệ cắt, công cụ cắt có tên ICUTROC (IC) đời với khả cắt đá cứng cao hẳn sản phẩm loại với tuổi thọ độ tin cậy cao, đánh dấu bước ngoặt công nghệ khai đào đất đá máy khai đào giới Page 3/14 Hình Combai MK-4 (Doso – Anh) với khả cắt hiệu đá có UCS lên tới 130 MPa Hình Combai AM-105IC (Voest Alpine – Áo) với cơng nghệ ICUTROC có khả cắt đá hiệu đá có UCS lên tới 140 MPa Cơ phá vỡ đất đá cắt combai Khi cắt, đầu cắt tiếp xúc với đất đá góc xuyên nhập thiết lập Khi công cụ xuyên nhập vào đất đá, vùng vật liệu bị đập vụn hình thành cơng cụ cắt, vật mà truyền áp lực lên đất đá xung quanh Trong vùng này, bóng áp lực hình thành hiệu ứng thủy lực hạt mịn truyền hệ thống nứt nẻ kiến trúc đất đá Các nứt nẻ không sâu lực giới hạn công cụ, mà tạo vùng dập vỡ nhỏ liên đới với lực nhỏ Sự thành công cú đập khoảng cách đặt tạo bước tiến khe nứt hình thành nên mảnh vỡ rời khỏi khối đá gương Nhưng thiếu độ cững vững tự nhiên trình cắt với máy khiểu cần khấu, công cụ cắt di chuyển gương khó khăn Kết tạo vẹt mịn cắt dẫn đến việc cắt không hiệu việc không tận dụng vùng nứt nẻ hình thành từ vết cắt trước Khoảng cách vết cắt có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt Khoảng cách vết cắt ngắn có nghĩa việc cắt khơng thích hợp lượng đập vỡ vụn mức gây lượng bụi lớn Một khoảng cách tăng lên việc việc cắt trở lên hiệu tùy theo điểm cắt thích hợp nơi mà ảnh hưởng lẫn vết cắt với đất đá tạo nên liên tục thích hợp Năng lượng riêng việc cắt định nghĩa lượng cần thiết để cắt lượng đất đá khỏi khối đá, yếu tố yếu hiệu cắt Năng lượng riêng sử dụng nhỏ có nghĩa việc cắt hiệu Có dạng tính sở khoảng cách xuyên nhập theo tỷ số S/P để tối thiểu hóa lượng cắt Dạng tính độc loại đất đá định đến thiết kế đầu cắt combai hình dạng đầu cắt Đối với cắt cầu tiếp xúc điểm tỷ số S/P tối ưu thông thường 2-4 Trong đất đá dịn tỷ số Page 4/14 cịn lớn (Ozdemir 1978) Hình dạng cắt ảnh hưởng đến độ xuyên sâu vật liệu cắt đảm bảo cắt tạo luồng vật liệu thải Trong đất đá chứa silica, số đề xuất Schimazek (1987) đại lượng độ mài mòn liên quan đến hàm lượng quartz có tổng lượng đất đá Chỉ số tính khả thi việc cắt đất đá với combai có cơng cụ cắt kiểu tiếp xúc điểm Schimazek mô tả sau: Ic = Trong đó: V Td σ t ; 100 Ic = Chỉ số cắt Td σt V = Đường kính nguyên dạng cỡ hạt quartz = Cường độ kháng kéo = Thể tích khống chất cứng % hạt quartz (1) Ngoài yếu tố địa chất ra, yếu tố cịn lại thuộc vê đặc tính kỹ thuật riêng máy Trong phạm vi viết xét đến yếu tố địa học khối đá ảnh hưởng chúng tới hiệu suất tiêu hao cắt combai đào lị Các thơng số địa học ảnh hưởng đến hiệu suất tiêu hao cắt combai đào lị Một số tính chất đất đá điều kiện địa học khối đá có tác động đến lực cắt tác động của cắt hay toàn hệ thống đầu khấu, làm ảnh hưởng đến hiệu suất tiêu hao cắt combai, chúng bao gồm: - Tỷ trọng hay trọng lượng riêng, ảnh hưởng đến trình xúc bốc thiết bị khai đào; - Cường độ kháng nén dọc trục (UCS) thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả phá đá; - Cường độ kháng kéo, tách (phương pháp thử nghiệm Brazil) thể độ dai cấu trúc đất đá; - Tốc độ truyền sóng âm (Ultrasonic pulse velocity- acoustic velocities) phản xạ đất đá tính dịn ảnh hưởng đến tính dễ khai đào; - Hằng số đàn hồi, (Mơ đun Young hệ số Poisson) tính tính vững độ dịn đất đá; - Chỉ số độ mài mòn Cerchar (CAI) thử nghiệm độ mài mòn trực tiếp để loại đầu bọc cắt; - Tỉ số cường độ kháng nén cường độ kháng kéo (UCS:T) phép đo lường độ bền dai đá kiến trúc đất đá; - Mức độ phân lớp nứt nẻ đất đá (RQD) 3.1 Cường độ đất đá ảnh hưởng đến hiệu suất combai Độ bền đá (khối đá) tiêu quan trọng việc lựa chọn thiết bị phá đá có ảnh hưởng lớn đến hiệu làm việc chúng Theo nguyên lý làm việc combai Page 5/14 đào lò, lực cản cắt độ bền kéo yếu tố trực tiếp định hiệu phá vỡ khối đá chịu lực tác động từ cắt Tuy nhiên, độ bền nén đơn trục (UCS) đá lại tiêu đưa lựa chọn đặc tính kỹ thuật thiết bị tính tốn cơng nghệ Theo Speight (1997), có nhiều yếu tố khác khối đá tác động đến hiệu phá đá máy khơng có yếu tố có tính định, nên nhà sản xuất thường dùng tiêu UCS dẫn tính tốn lựa chọn thiết bị Độ bền nén đơn trục phản ánh, tác động phần hiệu phá đá máy combai, độ lớn tỷ lệ thuận với lực cản cắt độ bền kéo khối đá Trong tính toán hiệu suất khai đào người ta thường sử dụng cường độ kháng nén không giới hạn (unconfined compressive strength) tính chất đất đá cho cho việc dự báo trước hiệu suất cắt Để dự báo hiệu suất cắt từ cường độ kháng nén, biểu đồ nhà sản xuất máy đưa hình số thường sử dụng Trong biểu đồ, hiệu suất cắt thực tế hiệu suất cắt địi hỏi hầm nước Zeulenroda (Thuringia, Đức) chống lại với cường độ kháng nén không giới hạn Có thay đổi lớn giá trị UCS có mối liên hệ với tính chất đặc trưng tất loại đất đá khác (sét kết quarzite núi đá phiến Thuringian) Để biết thêm cơng trình xem Thuro Plininger (1998) Hình Hiệu suất cắt máy combai đào lò Atlas Copco Eickhoff ET 120 (132kW) tương ứng với cường độ kháng nén đất đá Hiệu suất đòi hỏi hiệu suất thực tế đào hầm thoát nước Zeulenroda Để dự báo hiệu suất cắt mối liên hệ với cường độ kháng nén, biểu đồ thường sử dụng nhà sản xuất máy hình Với cường độ kháng nén 50 MPa hiệu cắt hồn tồn kinh tế, giá trị lớn 200 MPa khơng hiệu Page 6/14 Hình Hiệu suất cắt combai với động 300 kW theo cường độ kháng nén Đường chấm màu xám thể suất cắt điều kiện đá cuội kết với cường độ kháng nén 50 MPa hiệu suất cắt tính tốn xấp xỉ 35 m³/h hầm Altenberg, IdarOberstein Hình Hiệu suất cắt combai E 242B (300kW) theo cường độ kháng nén Hiệu suất thực tế hầm Meistern vạch nén đứt (13 m³/h) Hình Hiệu suất cắt combai Atlas Copco Eickhoff ET 120 (132 kW) theo cường độ kháng nén Kết thực tế kết trông đợi hầm dẫn nước Zeulenroda Page 7/14 Thành phần thạch học ảnh hưởng lớn tới cường độ kháng nén đá, cường độ kháng nén đơn trục đá cuội kết thành phần thể hình 7, hình thể cách rõ ràng mức cường độ kháng nén đá cuội kết vào khoảng từ 20-80 MPa Trong đó, đặc biệt thành phần cứng (quaczit) đạt tới 230 MPa Trong q trình khảo sát, có mẫu đá cuội kết mà khơng có thành phần đơn thử nghiệm Hinh Cường độ kháng nén đá cuội kết thành phần chúng (theo phương pháp nén điểm) Đá quaczit có cường độ lên tới 230 MPa 3.2.Tính chất mài mịn đá Trong hiệu suất bị ảnh hưởng yếu tố vĩ mô cường độ kháng nén đất đá, độ dai (độ biến dạng), tính bất đẳng hướng, tính chất nứt nẻ hay tình trạng bị phong hóa khối đá (Gehring 1997, Thuro Spaun 1996 a, b Verhoef 1997) độ mài mịn cơng cụ chủ yếu bị ảnh hưởng tính chất vi mơ đá chẳng hạn hàm lượng quaczit tương đương kết hợp khống (Deketh 1995) Độ mài mịn đá ảnh hưởng trực tiếp đến lượng tiêu hao cắt combai Khi cắt máy combai chà sát, xâm nhập vào khối đá bị mài mòn lực ma sát đất đá vật liệu làm cắt Lực ma sát phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, vật liệu cắt phụ thuộc vào tính chất đá Các yếu tố ảnh hưởng đến độ mài mịn của đá gồm: hàm lượng khống vật cứng đá; kích thước mức độ góc cạnh hạt khống vật; mức độ xù xì, ghồ ghề bề mặt tiếp xúc; độ rỗng đá độ ẩm ướt; độ bền khối đá Với độ mài mịn cao lượng tiêu hao cắt lớn, thời gian tháo lắp thay cắt lớn kéo theo hiệu suất combai giảm Page 8/14 Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định tính mài mịn đá như: phương pháp Sievers (Thuỵ Điển); Baron, Kuznexov, Koifman (Liên xô cũ); phương pháp LAAT (Los Angeles Abrasion test); phương pháp CAI (Cerchar Abrasiveness Index), phương pháp LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussée) Đối với máy combai đào lò, nhiều nước giới, đặc biệt Châu Âu, thường sử dụng phương pháp xác định độ mài mòn theo CAI Trung tâm nghiên cứu than Pháp (Cerchar—Centre d’Etudes et Recherches de Charbonnages de France) Trong thử nghiệm Cerchar, một dùi thép sắc nhọn (có độ cứng 200 kG/mm²) với mũi vát góc 90° tỳ lên bề mặt mẫu đá với tải trọng tĩnh 70 N Mũi thép dịch chuyển chậm khoảng 10 mm Quá trình lặp lặp lại lần nhiều hướng khác bề mặt đá, sử dụng mũi thép Độ mài mòn đá thu cách đo lường thơng qua kính hiển vi độ mài mòn mũi dùi thép Đơn vị độ mài mòn định nghĩa độ cùn vẹt 0,1 mm đường kính dùi Sự áp dụng rộng rãi thử nghiệm nhà sản xuất thiết bị thi công hầm, viện nghiên cứu đơn vị tư vấn lĩnh vực khai đào đất đá đưa CAI trở thành thông số “tiêu chuẩn” để phân loại độ mài mòn đá cứng Cũng mục đích này, CAI ƯGG – nước Áo khuyên dùng cho thiết kế địa kỹ thuật – kết cấu cơng trình ngầm (ƯGG, 2001) 3.3.Điều kiện phân lớp, nứt nẻ nằm đá Các thơng số hệ khe nứt, phân lớp: - Thế nằm khe nứt, phân lớp xác định yếu tố như: góc phương vị, góc dốc hay góc cắm phương vị hướng dốc mặt phẳng khe nứt, phân lớp Khi đào đường lò dọc vỉa máy combai, độ lớn góc dốc mặt khe nứt, phân lớp tỷ lệ nghịch với mức độ khó khăn khai đào Khi đào đường lò xuyên vỉa, hướng đào lò từ trụ sang vách (lò đào thuận) thuận lợi hay đào hướng ngược lại (lị đào nghịch) - Hình thái bề mặt khe nứt đánh giá qua hình dạng độ nhám bề mặt khe nứt Bề mặt khe nứt phẳng, phân bậc, cong, lượn sóng cưa trơn hay nhám Các yếu tố phản ảnh mức độ ma sát bề mặt khe nứt, liên quan đến tượng trượt dọc theo mặt khe nứt - Trạng thái khe nứt đánh giá qua yếu tố khác khe nứt tồn dạng đóng hay kín (khe nứt kín), hở hay mở (khe nứt mở) chứa chất lấp nhét định, liên thơng hay gián đoạn Các chất lấp nhét khơng khí nước, sản phẩm bị cà nát sét, sạn sản phẩm kết tinh canxit, thạch Page 9/14 anh Các chất lấp nhét canxit, thạch anh làm cho khối đá có độ bền cao so với khối đá có chất lấp nhét khác điều kiện - Chiều dày phân lớp mật độ khe nứt yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền khối đá Chiều dày phân lớp khoảng cách hai mặt phân lớp, khe nứt hệ Chiều dày nhỏ, khối đá có độ bền thấp thuận lợi khai đào máy 3.4.Phay phá, đứt gãy, uốn nếp điều kiện khác Tại khu vực có nhiều phay phá, uốn nếp đất đá thường có điều kiện lý đá, nằm, mức độ nứt nẻ, điều kiện thuỷ văn… thay đổi, xáo trộn nhiều Khi máy việc khu vực này, combai làm thường phải thay đổi liên tục chế độ làm việc tốc độ quay đầu cắt, số lượng cắt…để phù hợp với điều kiện đất đá Điều bất tiện gây ảnh hưởng đến suất, hiệu công nghệ mật độ phá phá, đứt gẫy lớn Ngoài ra, phay phá thường liền với tượng xuất lộ, tụ nước ngầm, bùn đất Khi khối lượng lớn không đào máy combai Nếu lượng nước nhỏ kết hợp với đá sét gây tượng bùng nền, lún máy, vận hành khó khăn Do vậy, mật độ phay phá lớn kèm với tụ bùn, xuất lộ nước khơng nên áp dụng đào lị máy combai Theo kết nghiên cứu, nước có ảnh hưởng ảnh lớn, trực tiếp đến điều kiện lý khối đá dạng tan rã, hoá mềm, trương nở, hút ẩm, mao dẫn, thấm nước Dưới tác dụng áp lực bên ngồi, nước tràn vào lỗ rỗng làm cho vi khe nứt mở rộng phá vỡ mối liên kết phân tử đá Khi đó, thể tích khối đá tăng lên độ bền giảm xuống, tạo điều kiện cho phá vỡ đá với ứng suất nhỏ Sự ảnh hưởng nước độ bền khối đá thể qua thông số hệ số tan rã Đó tỷ số giới hạn bền trước sau đá bão hồ nước, hay cịn gọi trị số hố mềm đá Tính tốn hiệu suất tiêu hao cắt combai sở điều kiện địa học Hiện nay, có nhiều phương pháp để tính tốn suất cắt combai đào lò phương pháp Levent Ozdemir (Đại học Mỏ Colorado - Mỹ), phương pháp Nuh Bilgin Cemal Balci (Đại học Kỹ thuật Istanbul – Thổ Nhĩ Kỳ), phương pháp thực nghiệm Công ty Voest Alpine Voest Alpine có đề xuất phương pháp tính suất dựa thông số đầu vào điều kiện địa học dựa bảng phân loại RMCR(xem bảng dưới) để tính điểm sau tra bảng kết suất khai đào combai Page 10/14 Bảng Điều kiện địa học khối đá ảnh hưởng tới suất cắt combai Kích thước khối đá (m3) Độ bền đơn trục UCS (Mpa) Trị số Lượng điểm Trị số Lượng điểm 1-5 15 >0,6 20 5-25 12 0,3-0,6 16 25-50 0,1-0,3 10 50-100 0,06-0,1 100-200 0,03-0,06 >200 0,01-0,03
Ngày đăng: 18/11/2020, 03:03
Xem thêm:
