CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC ĐÁ KHỐI
2.4. CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH ĐÁ RA KHỎI NGUYÊN KHỐI
2.4.7. Tách đá bằng phương pháp khoan nêm
2.4.7.1. Nêm thủ công:
Bản chất của phương pháp khoan nêm là: khoan các lỗ khoan theo mặt tách, sau đó đặt nêm vào lỗ khoan. Nêm chuyển dịch trong lỗ khoan dưới tác dụng của lực đập gây ra ứng suất tách, tạo thành mặt nứt nẻ ( trùng với mặt tách), và tách khối đá ra khỏi nguyên khối ( xem sơ đồ 2-6).
Sơ đồ 2-6. Sơ đồ tác dụng của nêm
Để tách đá theo hướng xác định, cần lựa chọn số lượng lỗ khoan, khoảng cách và chiều sâu phù hợp với đặc điểm cấu trúc của đá, kích thước của khối. Thông thường những lỗ khoan được khoan sâu 70 – 100mm, và cách nhau 100 – 200mm ( xem sơ đồ 2-7). Sau đó tiến hành đóng vào lỗ khoan các nêm phối hợp dạng cân hoặc lăng trụ. Dùng búa đập liên tục vào nêm, và đá đƣợc tách thành khối tiêu chuẩn.
Khi kích thước của khối lớn và đá dính thì cần thay đổi các thông số phân bố lỗ khoan. Nếu mặt tách trùng với mặt yếu nhất và có chiều cao 1m, với lỗ khoan đường kính 25 – 35mm thì khoan sâu 100 – 150mm. Để đảm bảo chất lượng tách đá có thể tăng đường kính, giảm khoảng cách giữa các lỗ khoan đến 100mm, tăng chiều sõu khoan đến ẵ hoặc 2/3 chiều cao mặt tỏch ( xem sơ đồ 2-7). Thụng thường, để tạo mặt tách bằng phẳng như ý muốn, người ta thường xen kẽ giữa các lỗ khoan ngắn là các lỗ khoan sâu hơn gọi là lỗ khoan “dẫn” có chiều sâu khoan lớn hơn, đến 9/10 chiều cao (hoặc chiều rộng) block đá.
Sơ đồ 2-7. Sơ đồ phân bố lỗ khoan khi khoan nêm
Khi khai thác khoáng sàng đá cẩm thạch, các lỗ khoan đƣợc khoan hết chiều sâu và chiều rộng của khối đá định tách. Khoảng cách giữa các lỗ khoan 10 – 20cm, tùy thuộc vào độ bền kéo của đất đá và kích thước khối đá.
Như vậy, khi sử dụng phương pháp khoan nêm yêu cầu di chuyển búa khoan nhiều. Vì vậy, để tăng năng suất khai thác cần sử dụng các loại búa, máy khoan có chi phí thời gian di chuyển và cho các khâu phụ là nhỏ nhất. Điều đó lý giải thực trạng hiện nay là: phương tiện khoan ( sử dụng trong phương pháp khoan nêm) chủ yếu là búa khoan cầm tay công suất nhỏ. Mặc dù phương tiện này không đảm bảo tốc độ và năng suất cao, điều kiện làm việc nặng nhọc, nhƣng sử dụng chúng cho phép tiến hành công việc trên diện tích không lớn, di chuyển nhanh, chi phí nhỏ.
Ở nước ngoài ( Mỹ, Thụy Điển, Pháp, Bỉ, Italia . . .) trong phương pháp khoan nêm người ta sử dụng rộng rãi máy khoan có giá đỡ hay bàn trượt để khoan các lỗ khoan ngang, đứng, hoặc nghiêng, sử dụng xe khoan có nhiều búa khoan. Thường phương pháp này được áp dụng phối hợp với phương pháp nổ mìn để tách đá đồng nhất nguyên khối cùng với cưa cáp và phương pháp khác.
Ưu điểm của phương pháp khoan – nêm chẻ khi chuẩn bị khối đá là: đơn giản, cơ động, lợi dụng đƣợc tối đa các kẽ nứt tự nhiên, có khả năng áp dụng trong điều kiện địa chất mỏ phức tạp, tách được khối đá với kích thước và độ bền bất kỳ.
Nhƣợc điểm: lao động thủ công chiếm tỷ lệ lớn, năng suất lao động thấp, giá thành cao, công việc nặng nhọc, công tác an toàn lao động phức tạp.
2.4.7.2. Nêm thủy lực:
Phương pháp khoan nêm có triển vọng tốt nhờ sử dụng nêm thủy lực. Nhằm tập trung ứng suất trong mặt phẳng và tách định hướng các khối đá người ta sử dụng một nhóm nêm thủy lực làm việc đồng thời. Sử dụng nêm thủy lực cho phép mở rộng khoảng cách giữa các lỗ khoan đến 30 – 40cm nên giảm đƣợc khối lƣợng khoan và tăng năng suất lao động.
Bản chất của phương pháp này thể hiện trên sơ đồ 2-8, và sơ đồ 2-9:
Sơ đồ 2-8. Sơ đồ cấu tạo nêm thủy lực
1- Đầu nêm; 2- má nêm; 3- ống xả; 4- xylanh thủy lực; 5- piston;
1. ống dẫn cao áp; 7- lỗ khoan.
Sơ đồ 2-9. Sơ đồ thiết bị nêm thủy lực
2 1 4 3
5
6
7
1- bơm; 2- bộ phận đo áp suất; 3- bộ phân phối; 4- ống mềm; 5- nêm thủy lực; 6- khối đá cần tách.
Ở Liên Bang Đức đã chế tạo hàng loạt thiết bị nêm thủy lực, có 1, 2, 3, hoặc cả 4 nêm thủy lực đồng thời làm việc ( xem bảng 2-4).
Bảng 2-4. Các loại nêm thủy lực được chế tạo ở Đức [6]
Loại nêm thủy lực
Đường kính lỗ khoan, mm
Chiều sâu lỗ khoan, mm
Lực tác dụng, N
Khối lượng, kg
I 21 – 24 215 14.105 9
II 29 – 33 270 31.105 17,5
III 32 – 36 400 43.105 21,5
IV 39 – 43 670 51.105 27
V 40 – 50 670 64.105 31
VI 42 – 47 800 74.105 35
2.4.7.3. Tách đá bằng bột nở:
Trong những năm gần đây, người ta đã nghiên cứu sử dụng bột nở để thay thế nêm. Bản chất của phương pháp này là: nạp dung dịch bột nở vào lỗ khoan, khi đông cứng thể tích dung dịch tăng lên, tác dụng lực vào lỗ khoan, và tách đá theo đường nối các lỗ khoan.
Bột nở đƣợc sản xuất gồm 3 loại chính và căn cứ theo điều kiện nhiệt độ của môi trường tại khu vực mà sử dụng cho phù hợp, loại 1 thích hợp dùng trong phạm vi nhiệt độ không khí 26 – 38oC, loại 2 thích hợp sử dụng ở nhiệt độ trung bình 25oC, và loại 3 là từ -5oC đến 14oC, ở điều kiện Việt Nam thường sử dụng loại 2 là phù hợp.
Bột nở là một loại bột màu trắng với thành phần chính là oxyt Ca, phối hợp với một số chất phụ gia hữu cơ và vô cơ khác, khi gặp nước sẽ tạo thành phản ứng hóa học nhƣ sau:
CaO + H2O = Ca(OH)2 + 6,5 x 104J, (2.2)
Khi calcium chuyển biến thành calcium hydroxide thì tinh thể biến thành dạng tam giác lệch 3 hướng, thể tích khối tăng 3 – 4 lần và tỏa nhiệt, tạo nên áp lực lên thành lỗ khoan rất lớn ( có thể đến 30 – 50Mpa); trong khi đó, đá thường có cường độ kháng nén khoảng 4 – 18Mpa, nên dưới tác dụng áp lực sinh ra từ trương nở, khối đá sẽ bị nứt tách ra dọc theo tuyến phân bố lỗ khoan.
Muốn sử dụng bột nở để tách thì khối đá phải đƣợc tạo ra tối thiểu 3 mặt tự do;
thông thường sử dụng cho tách các đá tảng lăn có 4,5 mặt tự do.
Khi khoan lỗ để đổ bột nở, chiều sâu khoan cần bằng 85 – 90% chiều dày (chiều cao tầng) hoặc chiều rộng khối đá, khoảng cách lỗ khoan từ 15 – 50cm tùy theo đường kính lỗ khoan và loại đá, nếu có khoan ngang thì khoảng cách lỗ thu hẹp lại một chút.
Chỉ tiêu nạp bột nở khi tách đá khối đối với loại đường kính lỗ khoan 40mm là từ 1,5 – 1,8 kg/m.
Lưu ý, cần cẩn trọng khi sử dụng vì loại bột này khi gặp nước thì độ pH có thể đạt đến 13, có thể làm tổn thương người sử dụng, do đó nên mang trang bị bảo hộ lao động đầy đủ và đúng qui định.
Sử dụng phương pháp này có khó khăn là: nạp dung dịch bột nở phức tạp, đặc biệt là đối với lỗ khoan nằm ngang, giá thành cao, hiệu qủa thấp. Hiện tại, sử dụng tương đối phổ biến và hiệu quả ở nhiều mỏ trong công tác tách lần 2 ra các block, hoặc tách các đá tảng lăn.