Khi than ở trạng thái bão hịa, nước đã xâm nhập hồn tồn vào các khe nứt, lỗ rỗng trong khối than theo mọi phương hướng và sinh ra áp lực thủy tĩnh hay cịn gọi là áp lực nước lỗ rỗng. Khi nước khơng thốt ra khỏi khối than, tác dụng của áp lực nước lỗ rỗng lên các hạt than trong khối than chỉ là áp lực nén thủy tĩnh mà khơng làm dịch chuyển hạt, khi áp lực nén của bản thân các hạt trong khối than cĩ thể bỏ qua thì áp lực nước lỗ rỗng trong khối than được coi là ứng suất trung hịa, trái lại ứng suất do trọng lượng bản thân truyền qua các hạt làm thay đổi cường độ khối than được coi là ứng suất cĩ hiệu quả σ’.
Thực tế tổng ứng lực tác dụng lên vật chất dạng ba pha với các điểm tiếp xúc dạng mặt phẳng cong, song do mật độ tập trung các hạt than trong khối tương đối chặt chẽ, khi coi các điểm tiếp xúc là một đường thẳng thì diện tích mặt bất kỳ của khối than chịu tác dụng của tổng ứng lực được thể hiện qua phương trình sau:
A = As + Aw Trong đĩ:
A – Tiết diện chịu tác dụng của tổng ứng lực, (m2); As – Tổng tiết diện tiếp xúc của các hạt than, (m2
); Aw – Tổng tiết các lỗ rỗng, (m2
).
Do nước trong vật chất dạng 3 pha cĩ tính lưu động, dưới tác dụng của ngoại lực pha này sẽ chuyển động, áp lực nước lỗ rỗng phân bố khơng đồng
đều khi đĩ tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất cĩ hiệu quả phải thỏa mãn điều kiện sau:
= ’ + u
Trong đĩ:
– Tổng ứng lực, (MPa);
’– Ứng suất cĩ hiệu quả, (MPa);
u – Áp lực nước lỗ rỗng hay cịn gọi là áp lực thủy tĩnh, (MPa);
Cơng thức trên là nguyên tắc ứng suất hiệu quả của Terzaghi. Từ cơng thức này cho thấy, trước khi bơm ép nước, tổng ứng suất của khối than chủ yếu là từ trọng lượng bản thân truyền qua các hạt than trong khối. Sau khi bơm ép nước, tổng ứng suất khơng thay đổi, dưới tác dụng của áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hiệu quả giảm, đồng thời tác dụng của nĩ lên các hạt trong khối than giảm, nước trong khối than thay thế ứng suất của các hạt chịu một phần tác dụng lực khiến cho giá trị ứng lực tại khu vực được bơm ép giảm, nâng cao được mức độ ổn định của gương than.
2. Phân bố áp lực tựa trước gương than sau khi bơm ép nước
Thơng qua các thực nghiệm cho thấy khi độ ẩm tăng thì tính dịn của than giảm, tính dẻo tăng. Do vậy kết hợp với các phân tích ở phần trên rút ra được nguyên lý bơm ép nước phịng ngừa lở gương than là: khi bơm ép nước, khối than sẽ được làm ướt do vậy độ dịn của than giảm, độ dẻo tăng. Do tính chất than thay đổi dẫn tới sự gia tăng chiều rộng của vùng biến dạng khơng đàn hồi trước gương (vùng chịu ứng suất thấp) đồng thời cũng dẫn tới sự dịch chuyển và gia tăng chiều rộng của vùng biến dạng đàn hồi (vùng chịu ứng suất cao) nên vùng áp lực tựa trước gương được phân bố lại, mức độ ảnh hưởng đến gương than giảm nên sẽ giảm thiểu được hiện tượng lở gương. Vùng phân bố áp lực tựa tại gương than trước và sau khi bơm ép nước xem hình 2.21.
Hình 2.21 - Phân bố áp lực tựa trƣớc gƣơng trƣớc và sau khi bơm ép nƣớc
I – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng khơng đàn hồi trước khi bơm ép; II – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng đàn hồi trước khi bơm ép; III – Vùng mở rộng của áp lực tựa trước khi bơm ép; I’ – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng khơng đàn hồi sau khi bơm ép; II’ – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng đàn hồi sau khi bơm ép; III’ – Vùng mở rộng của áp lực tựa sau khi bơm ép
2.6. Áp dụng cơng nghệ bơm ép nƣớc cho điều kiện vỉa 14.5 mỏ Khe Chàm III.
Trên cơ sở các thí nghiệm xác định tính chất của vỉa than 14.5 mỏ than Khe Chàm III, luận văn lựa chọn giải pháp bơm ép nước gia tăng độ liên kết của than trong quá trình khai thác và đào lị tại vỉa 14-5 nhằm hạn chế tình trạng tụt lở than trước nhằm đảm bảo an tồn, giảm tình trạng ách tắc sản xuất đồng thời cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động.
2.7. Nhận xét.
Để nghiên cứu thiết kế giải pháp bơm ép nước tăng độ liên kết trong điều kiện địa chất khơng ổn định, than mềm yếu bở rời tại Cơng ty than Khe Chàm, luận văn đã tiến hành lấy mẫu và thí nghiệm xác định một số tính chất của than gồm: độ ẩm tự nhiên, khối lượng riêng, khối lượng thể tích của than, tính thấm của than, sức kháng cắt của than với các miền độ ẩm và thời gian khác nhau. Kết quả này đảm bảo độ tin cậy phục vụ tốt cho cơng tác thiết kế cũng như xây dựng giải pháp bơm ép nước trong điều kiện thực tế.
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BƠM ÉP NƢỚC TĂNG ĐỘ LIÊN KẾT CỦA THAN TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA 14.5 MỎ THAN KHE CHÀM III VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP
3.1. Lựa chọn giải pháp bơm ép nƣớc
Hiện nay tại Trung Quốc việc bơm ép nước vào vỉa than để gia tăng độ bền khối than được áp dụng khá rộng rãi. Trong phương pháp này phụ thuộc vào chiều dài lỗ khoan cũng như vị trí khoan cĩ các giải pháp khoan bơm ép gồm: Bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn, bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình, bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài và bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài kết hợp với lỗ khoan trung bình.
3.1.1. Giải pháp bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan ngắn
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn thường được áp dụng tại các khu vực khai thác và đào lị vỉa mỏng đến dày trung bình, trong phạm vi khu vực cĩ đứt gãy, chiều dày và gĩc dốc vỉa khơng ổn định. Theo giải pháp này, các lỗ khoan ngắn thường được bố trí tại phần nửa trên theo chiều cao gương lị chợ và khoan xiên về phía vách, chiều dài lỗ khoan thơng thường từ 2,0 3,5 m, khoảng cách giữa các lỗ khoan theo hướng dốc vỉa
được tính tốn phụ thuộc vào bán kính thẩm thấu nước khi bơm ép và thường từ 3,0 5,0 m. Do lỗ các khoan bơm ép nước được bố trí nằm trong vùng dỡ tải của áp lực tựa nên khối than trong vùng này xuất hiện một lượng lớn khe nứt thứ sinh, làm tăng tính thấm của than, việc bơm ép nước thuận lợi, khơng cần áp lực nước cao. Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan xem tại hình 3.1a.
a. Lỗ khoan ngắn b. Lỗ khoan trung bình
Hình 3.1 - Bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan ngắn và lỗ khoan trung bình
Giải pháp bố trí mạng lỗ khoan này cĩ ưu điểm là trực tiếp làm tăng độ bền của khối than ngay tại khu vực khấu gương lị chợ, các lỗ khoan cĩ chiều dài ngắn nên thao tác thi cơng khoan bơm ép nước nhanh chĩng và đơn giản. Tuy nhiên, giải pháp này cũng cĩ nhược điểm là khi tiến hành khoan bơm ép nước thì các hoạt động khác trong gương lị chợ phải dừng lại, làm gián đoạn sản xuất, trong quá trình bơm ép dễ gây phình lở gương nếu khơng được kiểm sốt chặt chẽ.
3.1.2. Giải pháp bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan trung bình
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình thường được được áp dụng trong các vỉa cĩ chiều dày và gĩc dốc ổn định đặc biệt thích hợp với các lị chợ cĩ thời gian nghỉ định kỳ để sửa chữa bảo dưỡng thiết bị. Giải pháp này sử dụng các lỗ khoan cĩ chiều dài từ 5,0 25,0 m để bơm ép nước vào vùng chịu ứng suất lớn nhất của áp lực tựa trước gương lị chợ hoặc vùng cĩ ít cĩ khe nứt lỗ rỗng và tính thẩm thấu yếu, nhằm gia cố tiến trước cho gương than. Khi gương khấu tiến đến vị trí bơm ép nước thì khối than đã cĩ tính liên kết tối đa. Các lỗ khoan thường được khoan thẳng theo phương vỉa hoặc khoan xiên về phía vách vỉa khoảng 150 250
tuỳ theo chiều dày vỉa. Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan xem hình 3.1b.
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình cĩ ưu điểm là chủ động làm tăng tính liên kết của khối than phía trước gương lị chợ, hạn chế hiện tượng phình lở gương khi bơm ép nước. Ngồi ra, giải pháp này cĩ số
lượng lỗ khoan ít hơn, phạm vi thẩm thấu khi bơm ép lớn so với giải pháp bơm ép nước bằng lỗ khoan ngắn. Nhược điểm của giải pháp là khối lượng và thời gian khoan bơm ép nước lớn, gương lị chợ phải dừng lâu để chờ bơm ép nước làm ảnh hưởng đến tốc độ khấu gương và sản lượng lị chợ.
3.1.3. Bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan dài
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài thường được được áp dụng trong các vỉa cĩ chiều dày và gĩc dốc ổn định, đặc biệt thích hợp với các lị chợ cơ giới hĩa cĩ tốc độ tiến gương nhanh. Khi bơm ép nước nước bằng các lỗ khoan dài, chiều dài lỗ khoan từ 30 ÷ 100 m, các lỗ khoan thường được bố trí tại lị dọc vỉa vận tải và thơng giĩ rồi khoan lên hoặc khoan xuống theo hướng dốc vỉa than.
a. Khoan từ trên xuống b. Khoan từ dưới lên c. Khoan từ cả hai phía
Hình 3.2 - Bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan dài
Trường hợp bố trí mạng lỗ khoan dài song song từ một phía (hình 3.2a và 3.2b), các lỗ khoan thường được thi cơng từ lị dọc vỉa vận tải hoặc lị dọc vỉa thơng giĩ của lị chợ. Khoảng cách giữa các lỗ khoan trong mạng phụ thuộc vào bán kính thẩm thấu nước trong từng điều kiện cụ thể của than, đảm bảo giảm tối đa chi phí cho cơng tác khoan bơm ép nước nhưng đạt hiệu quả tăng độ liên kết khối than cao nhất. Đồng thời đảm bảo tốc độ khoan bơm ép nước tiến trước phù hợp với tốc độ tiến gương và khơng làm ảnh hưởng đến cơng tác khai thác lị chợ. Vị trí khoan bơm ép nước tiến trước gương thường bố trí cách gương khấu từ 20 30 m (tuỳ thuộc vào tính chất của than và tốc độ tiến
gương lị chợ), đảm bảo thời gian khi gương lị chợ khấu đến thì khối than được bơm ép nước đạt độ liên kết ổn định nhất. Giải pháp này cĩ các ưu điểm là số
lượng lỗ khoan và dịch chuyển vị trí khoan ít, phạm vi thẩm thấu khi bơm ép lớn, cơng tác khoan được thực hiện ở lị dọc vỉa vận tải và thơng giĩ nên khơng ảnh hưởng đến cơng tác sản xuất lị chợ, thời gian bơm ép cho một lỗ dài nên khả năng làm ướt đồng đều. Nhược điểm của giải pháp này là thời gian để thi cơng bơm ép nước một lỗ khoan lâu, thao tác khoan và chống ống giữ lỗ khoan phức tạp, khi vỉa than khơng ổn định về chiều dày gĩc dốc, dễ xảy ra tình trạng khoan vào vách hoặc trụ vỉa làm ảnh hưởng đến hiệu quả bơm ép nước.
Trường hợp bố trí mạng lỗ khoan dài song song từ hai phía (hình 3.2c), các lỗ khoan được khoan đồng thời từ lị thơng giĩ và lị vận tải của lị chợ, việc bố trí hệ thống lỗ khoan ở lị thơng giĩ hoặc lị vận tải cùng các thơng số kỹ thuật khoan bơm ép nước tương tự như giải pháp bố trí mạng lỗ khoan song song từ một phía nêu trên. Giải pháp này cĩ ưu điểm là chiều dài mỗi lỗ khoan ngắn hơn so với giải pháp bố trí mạng lỗ khoan từ một phía, cơng tác thi cơng khoan và bơm ép nước mỗi lỗ khoan đơn giản và nhanh hơn. Tuy nhiên, giải pháp bố trí mạng lỗ khoan này cĩ nhược điểm là số lượng lỗ khoan nhiều và nằm ở cả hai phía lị chợ nên cần phải bố trí hai nhĩm khoan bơm ép nước mới đảm bảo tiến độ thi cơng. Từ đĩ làm tăng nhân lực và chi phí đầu tư thiết bị vật tư khoan bơm ép nước; thao tác khoan bơm ép nước ở lị vận tải phức tạp do cĩ thiết bị vận tải (hạn chế khơng gian thao tác), nước thốt ra trong quá trình khoan bơm ép nước cĩ thể ảnh hưởng đến thiết bị vận tải.
a. Lỗ khoan dạng rẻ quạt b. Lỗ khoan hỗn hợp
Hình 3.3 - Bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan dài rẻ quạt và hỗn hợp
lị thơng giĩ và vận tải (hình 3.3a), dọc theo lị dọc vỉa thơng giĩ và vận tải, bố trí các trạm khoan bơm ép nước cách nhau từ 50 60 m theo phương. Tại các trạm khoan bơm, nếu đường lị chật hẹp khơng đủ khơng gian để thao tác thì tiến hành đào cúp vào hơng lị để đặt máy khoan. Tại mỗi trạm khoan, các lỗ khoan được khoan từ cúp với chiều dài từ 30 65 m (thay đổi phụ thuộc
chiều dài gương lị chợ), gĩc hợp bởi giữa các lỗ khoan liền kề từ 100 250
. Lỗ khoan được khoan song song với vách trụ vỉa. Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan kiểu rẻ quạt cĩ ưu điểm là giảm được số lần di chuyển máy khoan, tại mỗi trí cĩ thể bơm ép nước nhiều lỗ khoan cùng lúc nên giảm thời gian cho cơng tác khoan bơm; khắc phục được các khu vực đường lị chật hẹp khơng đủ khơng gian thao tác khoan bơm ép nước; khơng làm ảnh hưởng đến thiết bị vận tải than và khơng gian đi lại trong đường lị dọc vỉa vận chuyển và khơng làm ảnh hưởng đến cơng tác khai thác của lị chợ. Tuy nhiên, cách bố trí mạng lỗ khoan kiểu này cũng cĩ nhược điểm là: nước thẩm thấu trong vỉa khơng đều tại các vị trí đáy và thân các lỗ khoan, (khu vực càng gần trạm khoan thì khoảng cách giữa các lỗ khoan càng gần nhau nên nước thẩm thấu trong vỉa càng nhanh đạt mức bão hồ, khu vực đáy lỗ khoan cĩ khoảng cách giữa các lỗ khoan xa hơn nên thời gian thẩm thấu nước lâu hơn), khĩ xác định thời gian bơm và lượng nước bơm hợp lý để than cĩ độ liên kết hiệu quả nhất. Ngồi ra, việc phải đào các cúp khoan bơm ép nước sẽ làm tăng chi phí.
4. Bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài kết hợp với lỗ khoan trung bình
Khi bố trí lỗ khoan dài kết hợp lỗ khoan trung bình song song từ dọc vỉa lị thơng giĩ và vận tải, các lỗ khoan dài được khoan bơm ép nước với các thơng số kỹ thuật tương tự như giải pháp bố trí mạng lỗ khoan dài song song từ lị dọc vỉa vận tải và thơng giĩ. Ngồi ra, sử dụng các lỗ khoan trung bình khoan song song và xen kẽ các lỗ khoan dài. Phương pháp này cĩ ưu điểm là nước thẩm thấu đều vào vỉa than, khu vực giữa các lỗ khoan dài được bổ sung các lỗ khoan trung bình bơm ép nước, giúp nước thẩm thấu đều khu vực cần gia cố; phương pháp bố trí mạng lỗ khoan này khơng khoan ở gương lị chợ
nên khơng làm ảnh hưởng đến cơng tác khai thác lị chợ. Tuy nhiên, khối lượng cơng việc khoan và di chuyển hệ thống máy khoan bơm ép nước nhiều, phức tạp hơn so với phương pháp khơng bố trí lỗ khoan trung bình xen kẽ.
Trên cơ sở điều kiện áp dụng và ưu nhược điểm của các giải pháp bơm ép nước nêu trên, căn cứ điều kiện địa chất cũng như cơng nghệ khai thác lị chợ, báo cáo đề xuất giải pháp bơm ép nước cho điều kiện vỉa 14-5 mỏ than Khe Chàm III như sau:
(1) Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình cho các gương lị chợ chống bằng giá xích và các gương đào lị trong than tại vỉa 14-5.