CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC ĐÁ KHỐI
2.4. CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH ĐÁ RA KHỎI NGUYÊN KHỐI
2.4.2. Tách đá bằng phương pháp cưa cắt
Thiết bị dùng để cƣa cắt đá bao gồm 04 loại: máy cƣa đĩa, máy cƣa trang bị dao phay vòng, máy cƣa trang bị dao phay kiểu xích, và máy cƣa cáp. Việc lựa chọn kiểu máy cưa đá phụ thuộc vào độ bền của đá, kích thước yêu cầu của sản phẩm, và công nghệ cắt đá đã chọn.
Công việc cƣa đá bao gồm 03 thao tác chính: cắt theo mặt ngang, cắt theo mặt bằng dọc theo chiều dài của dải khấu, và cắt theo mặt đứng dọc hầu hết chiều dài dải khấu.
Sử dụng máy cắt đá cho phép cơ giới hóa toàn bộ khâu tách đá ra khỏi nguyên khối.
Sơ đồ 2-2. Sơ đồ công nghệ khi bóc tách đá khối bằng máy cưa cắt
Ở sơ đồ công nghệ này, mỗi tầng bao gồm lối vào 1, lối ra 2. Bản chất công nghệ nhƣ sau: lƣỡi cắt thẳng đứng 2 cắt tầng (vuông góc với diện công tác) thành từng khối có bề dày là l. Sau đó, lƣỡi cắt 4 cắt tầng dọc theo tuyến công tác suốt chiều dài Ly. Cuối cùng khối đá đƣợc tách ra khỏi nguyên khối bằng những lƣỡi cắt
5. Tùy theo loại máy cắt mà việc cắt đứng và ngang có thể đƣợc tiến hành song song hoặc nối tiếp. Chiều cao tầng cắt hy = 0,41 – 3,0m.
Sau khi tách đá ra khỏi nguyên khối tiến hành bốc chất tải và vận chuyển sản phẩm; thu gom chất thải, và vận chuyển phế phẩm.
B.M. Rôđin đã phân loại hệ thống khai thác [6] khi sử dụng máy cắt đá trên cơ sở số lƣợng tầng khai thác đồng thời, chiều cao của nó, và công tác tổ chức sản xuất ( xem bảng 2-2).
Bảng 2-2. Bảng phân loại hệ thống khai thác
Nhóm Phân nhóm Chiều cao
tầng, m Điều kiện sử dụng
Tầng thấp Một giai đoạn
0,41
Bề dày lớp đất phủ không lớn (1 – 1,5m), lớp đá nằm ngang hoặc dốc thoải, độ bền
của đá 50 – 150 kg/m2
Đến 1,2 Bề dày lớp phủ không lớn, bề dày lớp đá lớn hơn 2m, độ bền của đá đến 200 kg/m2
Tầng cao Một giai
đoạn Đến 3,0
Bề dày lớp đá lớn hơn 2m, độ bền của đá đến 150 kg/m2, sản lƣợng năm của mỏ không nhỏ hơn 80 – 100.000m3, chiều dài
tuyến công tác 200 – 400m.
Hiện nay, người ta sử dụng nhiều loại máy cắt đá khác nhau. Nó được phân loại theo dạng lƣỡi cắt, lĩnh vực sử dụng, công dụng (cắt khối lớn hay khối nhỏ), và chiều cao tầng mà nó có thể cắt đƣợc.
Sử dụng máy cắt đá để khai thác có ưu điểm là: kích thước khối và chất lượng đá đảm bảo, hệ số thu hồi cao. Song do yêu cầu vốn đầu tƣ lớn, cần có nguồn điện, không có hiệu quả khi khai thác đá cứng và có độ mài mòn lớn.
2.4.2.1. Cưa đĩa:
Dùng để cƣa đá có độ bền nén nhỏ hơn 250 kg/cm2. Đĩa làm bằng thép carbon chất lƣợng cao hay thép hợp kim dày 10 – 20mm. Trên vành đĩa lắp các răng bằng
hợp kim cứng theo một, hai, hoặc ba hàng, tùy thuộc vào độ bền vững và cấu trúc của đá. Hiện nay, người ta nghiên cứu cải tiến cưa đĩa, dùng các đầu segment có gắn những hạt kim cương gắn lên vành lưỡi cưa để cắt đá. Do đó, có thể cắt được các loại đá có độ cứng bất kỳ, khác với cƣa đĩa truyền thống chỉ cắt đƣợc đá có độ cứng ≤ 250kg/cm2.
Chiều sâu cƣa lớn nhất h đƣợc xác định theo biểu thức (2.1):
h = 0,5 (D – d), cm (2.1)
Trong đó: D là đường kính cưa đĩa, cm; d là đường kính mặt bích, cm.
Để tránh khỏi ma sát giữa mặt bích với đất đá cần lấy h = 0,4D, thường bằng 30 – 50cm. Năng suất của máy cƣa đĩa có thể đạt 4 – 20m3/h.
Ở Liên Xô (trước đây) thường sử dụng các loại máy cưa đĩa: CM – 824, KM – 3A, KM – 4, KM – 6, CM – 826, BKM – 2.
Ƣu điểm của cƣa đĩa là nâng cao rõ rệt tỷ lệ thu hồi khối lên đến 90%, đá không bị vỡ vụn, chất lƣợng nguyên khối của đá đƣợc nâng cao rất nhiều, thứ phẩm, khói, bụi ít, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cấu tạo đơn giản, vận hành chắc chắn, chiều dày mạch cƣa nhỏ, có khả năng cơ giới hóa khâu tách đá nguyên liệu từ nguyên khối.
Hình 2-3. Cưa đĩa khai thác đá khối mỏ Thiên Thạch – Khánh Hòa
Nhược điểm là hệ số sử dụng đường kính nhỏ, do đó, để đạt yêu cầu kích thước block đá chuẩn thì đòi hỏi đường kính đĩa lớn, máy cồng kềnh, đòi hỏi lượng nước làm mát lớn, đây là điểm làm hạn chế phạm vi áp dụng của nó.
2.4.2.2. Cưa dao phay vòng:
Bao gồm các bánh răng quay xung quanh một đĩa lắp cứng với khung máy.
Mép ngoài của bánh răng có các răng ăn khớp với bánh răng dẫn động. Trên vành bánh răng là các răng bằng hợp kim cứng. Chiều sâu của đĩa cƣa ăn vào đá có thể đạt tới 70% đường kính, vào khoảng 800 – 1.050mm, và cho phép cưa các loại đá cứng có độ bền nén tới 1.200 – 1.800 kg/m2.
Máy cƣa đá có dao phay vòng kiểu CM – 580A, CM – 177A, CMP – 027, KHKM – 1, YПM – 1, HC – 20B, và CM – 428 (do Liên bang Nga sản xuất) đảm bảo cƣa sâu 1.025mm. Để sản xuất đá xây khối lớn có độ bền nén tới 400 kg/m2 thường dùng máy cưa CM – 580A có năng suất 4 – 12 m3/h. Máy CM – 177A dùng để cắt đá macnơ, đá hoa, và các loại đá khác thành những khối lớn. Năng suất của máy khi cắt đá marble khoảng 6 – 20 m3/h. Ƣu điểm của máy CM – 177A là vận hành chắc chắn, năng suất cao khi cắt đá marble có độ bền nén n ≤ 1.200 kg/m2, hình dáng khối đá cắt ra đúng quy cách, bề mặt bằng phẳng. Nhƣợc điểm: kích thước khối đá bị hạn chế theo chiều rộng và chiều cao, tổn thất đá lớn vì mạch cưa rộng tới 34 – 36mm, giảm mức thu hồi các khối đá khi hệ thống khe nứt phát triển.
Để khai thác các khối đá vôi và đá cẩm thạch có kích thước lớn, người ta áp dụng khá rộng rãi lưỡi cưa gắn kim cương. Ở Pháp và Bỉ, người ta sử dụng có hiệu quả máy cưa đá “Delphin” có trang bị bánh cắt gắn kim cương đường kính 2,0 – 3,0m. Ở Mỹ cũng áp dụng kiểu máy cưa này với đường kính bánh cắt 0,5 – 0,8m.
Máy cưa có lưỡi cưa gắn kim cương sử dụng hợp lý khi khai thác các khoáng sàng đá trầm tích, biến chất, và phun trào có độ bền n ≤ 1.000 kg/m2. So sánh với máy cắt CM – 177, máy cưa có trang bị bánh kim cương có những ưu điểm sau:
năng suất lao động tăng 2,5 lần, chi phí để tạo nên mạch cƣa giảm 2 lần, giảm tổn thất khoáng sản khi cƣa 2 lần, nâng cao chất lƣợng các mặt góc của khối đá.
2.4.2.3. Cưa dao phay kiểu xích:
Để tách đá thành các khối lớn, người ta sử dụng máy cưa đá có trang bị tay rạch xích ( hình 2-4). Khả năng sử dụng chiều dài bộ phận công tác đến 85 – 90%.
Máy cƣa có trang bị tay rạch xích bao gồm một tay rạch phẳng có bộ truyền động xích, trƣợt trên một trục thẳng đứng đặt trên khung máy có bộ điều khiển. Tay rạch là một khung kim loại hình hộp, có xích cắt vô tận chuyển động trên rãnh trƣợt chạy quanh chu vi khung. Trên các mắt xích có lắp các răng cắt bằng hợp kim cứng.
Loại máy này thường được dùng để cắt đá có độ bền nén dưới 50 kg/m2.
Ở Liên Xô (trước đây) sử dụng các loại cưa xích: KБЯ – 35, CП – 200, KБЦ - 2, KШЦ – 3; và các loại cắt phối hợp CM – 950, CM – 543.
Trên nhiều mỏ khai thác đá vôi trang trí và đá cẩm thạch ở Pháp, Italia, người ta dùng máy cƣa có tay rạch mỏng (chiều dày 25-30mm), với lƣỡi cắt làm bằng thép cứng. Năng suất của loại máy này khi khai thác đá vôi, đá cẩm thạch đạt 5m2 rạch trong 1 giờ, và tuổi thọ của mỗi xích đạt 1.000 – 1.200 m2 mạch cƣa.
Trong những năm gần đây, người ta dùng các răng bằng carbur wolfram để có thể cưa các loại đá cứng và cứng vửa. Ở Comblanchien (Pháp), người ta dùng các lƣỡi cƣa cắt bằng hợp kim diamant hóa để cắt đá có độ bền nén tới 1.600 kg/m2, với
Hình 2-4. Hình máy cưa dao phay kiểu xích
năng suất 7 – 8m2/h, và tuổi thọ của mỗi xích đạt 1.500m2 đá. Loại thiết bị này cũng đƣợc dùng ở Hy Lạp để cƣa đá cẩm thạch với năng suất 5 – 6 m2/h, với chiều sâu rạch là 3m.
Ưu điểm của loại máy cưa có tay rạch là: kích thước và khối lượng của máy nhỏ, có khả năng thực hiện mạch cƣa sâu (đến 2.000mm).
Nhƣợc điểm: hao mòn nhanh (do nhiều mắt xích chuyển động), tải trọng động lớn, mạch cắt rộng (≥40mm), hao tổn lớn.
2.4.2.4. Cưa cáp:
Phương pháp cưa cáp được nhiều nước áp dụng để khai thác đá khối ( Nga, Pháp, Italia, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Mỹ, và những nước khác). Cưa cáp có 02 loại: cáp thường và cáp kim cương.
Hiện nay nhiều nước có sản xuất máy cưa cáp như máy cưa cáp kim cương TDi55 của hãng Pellegrini (Ý), máy cƣa cáp DWS-22AX-6P, DWS- 37AX/45AX/55AX-8P, DWS-75AX-10P cƣa đá granite, DWS-22AX-4P, DWS- 37AX/45AX/55AX-6P, DWS-75AX-8P cƣa đá marble, và các loại DWSG- 11A//15A/18A-6P, DWSM-11A-6P của hãng Huada (Trung Quốc) có tốc độ cƣa 1- 8m2/h, chiều dài dây cáp từ 5 – 150m.
a. Cáp thường:
Khi sử dụng cáp thường, quá trình cưa được thực hiện nhờ tác dụng mài mòn của cát thạch anh khi dội nước liên tục vào mạch cưa. Năng suất của thiết bị cưa cáp với cáp thường đạt 1,2 – 1,5 m2/h.
Đặc điểm và tính năng của một số dây cắt hợp kim đƣợc dùng để khai thác đá khối, cắt đá cẩm thạch và đá granite nhƣ sau:
- Có thể sử dụng để khai thác mỏ đá cẩm thạch và đá granite.
- Hiệu quả năng suất cao, chi phí thấp.
- Thao tác dễ dàng, an toàn, tiếng ồn thấp, không có bụi, thân thiện với môi trường xung quanh.
- Dây cắt hợp kim là các hạt hợp kim cùng với dây thép.
- Hạt cắt hợp kim được sản xuất từ bột mạ kim cương trên cột thép nhẵn của ba loại công nghệ: mạ điện, thiêu kết, và đắp chân không. Hạt cắt hợp kim đƣợc tăng cường với cao su hoặc ép nhựa.
- Đường kính của các hạt hợp kim là từ 7,5 – 11,5mm phù hợp với tất cả các loại ứng dụng các điều kiện nhƣ: tạo khối, cắt, và xẻ đá cẩm thạch, đá granite, đá vôi, cát kết . . .
Căn cứ vào độ cứng của các chủng loại đá cẩm thạch, granite, đá vôi, . . . để lựa chọn hạt hợp kim thích hợp.
b. Cưa cáp kim cương:
Được phát minh vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, do Bulaoshi người Anh đăng ký bản quyền vào năm 1968, đến năm 1978 mới đƣợc Italia chế tạo thành thiết bị và ứng dụng cho mỏ đá Kalala.
Cáp kim cương cũng có 02 loại: cáp điện phân và cáp kết tinh. Cáp điện phân xuất hiện sớm hơn và rẻ hơn. Mặt ngoài của cáp đƣợc gắn những hạt thép dạng vòng có phủ những vi hạt kim cương nhờ phương pháp điện phân. Loại cáp này khá bền, thích hợp với các loại đá mềm, và thường dùng khi bóc tách những khối nhỏ, hoặc khi phân bổ đá khối thành đá thương phẩm. Trên mặt cáp kết tinh là những hạt thép dạng vòng được phủ những vi hạt kim cương bằng phương pháp kết tinh. Loại cáp này có tuổi thọ làm việc lớn hơn và độ bền cao hơn, sử dụng cho mọi loại đá bất kỳ (khi cùng tốc độ cƣa thì tuổi thọ gấp 02 lần loại cáp điện phân).
Ƣu điểm của cƣa cáp là: sử dụng và vận hành đơn giản, chuẩn bị đƣa cƣa vào hoạt động nhanh, nhận được các khối đá có kích thước cần thiết và hình dáng đúng quy cách, chất lƣợng cƣa tốt, bề mặt cƣa bằng phẳng nhẵn mịn, có thể không cần gia công chỉnh hình, năng lƣợng dùng để tách đá không lớn. Nó cho phép cƣa đƣợc một diện tích tương đối rộng, có thể tới 200 m2 cho một lần đặt máy, theo các mặt phẳng nằm ngang, thẳng đứng hoặc nghiêng. Khi sử dụng cưa cáp kim cương tốc độ cƣa đạt từ 3 – 15 m2/h trong đá cẩm thạch, 2 – 5 m2/h trong đá granite. Các khối đá sau khi cưa có thể dùng phương tiện cơ giới để cạy bẩy và phân chia nhỏ dễ dàng theo những mặt yếu của khối đá. Mạch cƣa của cáp nhỏ (khoảng 11mm), hệ số thu
Sơ đồ 2-3. Sơ đồ nguyên lý cưa cáp kim cương
1- Các con lăn đỡ; 2- Tang truyền động; 3- Bộ phận căng dây cáp; 4- Cột cưa;
5- Dây cáp kim cương; 6- Khối đá cắt; 7- Núi đá.
hồi lớn. Thiết bị chiếm diện tích ít, vận chuyển tiện lợi, rất tiện cho thao tác. Yêu cầu kỹ thuật đối với nhân viên cũng không cao.
Hình 2-5. Cưa cáp kim cương ở mỏ đá Sơn Hòa – Phú Yên
1 2 5
4 3
1 1
1
6 7
Nhược điểm của phương pháp cưa cáp là công tác chuẩn bị xây dựng mỏ lớn;
chi phí cáp kim cương khá cao, thường chiếm 60 – 70% giá thành chung của sản phẩm. Tuy nhiên, theo sự phát triển của kỹ thuật chế tạo, và sử dụng rộng rãi hơn, thì giá thành sẽ đƣợc hạ thấp. Mặt khác, rủi ro đứt cáp trong quá trình đang cƣa là một vấn đề lớn về mặt an toàn.