Tóm tắt Luận án Nghiên cứu và xác định các tham số hợp lý của hệ thống khai thác lò dọc vỉa phân tầng sử dụng dàn chống tự hành trong điều kiện vỉa dày dốc vùng Quảng Ninh

Nội dung tài liệu: Tóm tắt Luận án Nghiên cứu và xác định các tham số hợp lý của hệ thống khai thác lò dọc vỉa phân tầng sử dụng dàn chống tự hành trong điều kiện vỉa dày dốc vùng Quảng Ninh

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NHỮ VIỆT TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ DỌC VỈA PHÂN TẦNG SỬ DỤNG DÀN CHỐNG TỰ HÀNH TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA DÀY DỐC VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 62.52.06.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017
2. Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Đỗ Mạnh Phong, Trường Đại học Mỏ - Địa chất 2. TS Nguyễn Anh Tuấn, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam Phản biện 1: PGS.TS Trần Văn Thanh, Đại học Mỏ - Địa chất Phản biện 2: TS Lê Đức Vinh, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ Phản biện 3: GS.TSKH Lê Như Hùng, Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội vào hồi . giờ .. phút ngày . tháng . năm 2017 Có thể tìm hiểu Luận án tại Thư viện Quốc Gia Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất
3. 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tại bể than Quảng Ninh, trong thời gian tới, sản lượng than khai thác sẽ tiếp tục tăng và tỷ trọng than khai thác hầm lò sẽ tăng từ 58% (2014) lên tới 88% (2030). Các vỉa than dày, dốc chiếm khoảng 10 ÷ 12% tổng trữ lượng huy động và được khai thác chủ yếu bằng HTKT lò DVPT, HTKT chia lớp ngang nghiêng, khấu bằng KNM (khoan nổ mìn), chống bằng vì thủy lực với SLKT (sản lượng khai thác), NSLĐ (năng suất lao động) thấp, tổn thất than cao. HTKT (hệ thống khai thác) lò DVPT (dọc vỉa phân tầng) sử dụng DCTH (dàn chống tự hành) được áp dụng tại nhiều nước, cho phép nâng cao NSLĐ, SLKT, an toàn. Để áp dụng hiệu quả HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh cần phải nghiên cứu, xác định các tham số của HTKT cùng các giải pháp kỹ thuật, thiết bị đi cùng phù hợp. Do đó, nội dung nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học, thực tiễn quan trọng và cấp thiết. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh nhằm nâng cao mức độ an toàn lao động và hiệu quả khai thác. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là các tham số của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH. Phạm vi nghiên cứu là các vỉa than có chiều dày lớn hơn 3,5 m, dốc hơn 450 thuộc các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU a) Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới và trong nước. b) Nghiên cứu quá trình thu hồi than nóc trong HTKT lò DVPT sử dụng DCTH. c) Nghiên cứu, xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh. d) Áp dụng các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều kiện cụ thể.
4. 2 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng phương pháp mô phỏng đối tượng nghiên cứu bằng mô hình vật liệu tương đương, mô hình số; phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu tại hiện trường; phương pháp thống kê, so sánh... 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN a) Ý nghĩa khoa học: góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu, xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống trong điều kiện vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh. b) Giá trị thực tiễn: góp phần định hướng phát triển công nghệ CGH (cơ giới hóa) khai thác vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh. 7. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN a) Xác định, làm rõ được sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, kỹ thuât mỏ đối với tỷ lệ tổn thất than thu hồi khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh. b) Xác định được quy luật xuất hiện ứng suất, dịch chuyển, sập đổ của trần than, đá vách khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh. c) Thiết lập được hàm số thể hiện mối quan hệ giữa các tham số của HTKT với yếu tố địa chất - kỹ thuật - kinh tế và xác định được phạm vi chiều cao PTKT (phân tầng khai thác), chiều dài theo phương KKT (khu khai thác) hợp lý cho điều kiện các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH. d) Đề xuất được giải pháp kỹ thuật, đồng bộ thiết bị CGH, kết cấu dàn chống, quy trình thu hồi than nóc phù hợp khi áp dụng HTKT lò DVPT cho điều kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh. 8. NHỮNG LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ a) Tổn thất than trong quá trình khai thác áp dụng HTKT lò DVPT chủ yếu do không thể thu hồi được các khối than có dạng hình tam giác (nêm than) nằm dưới nền lò, được hình thành một cách có hệ thống, theo chu kỳ và lượng than nằm phía trụ vỉa, ổn định dưới góc dốc khoảng 730 ÷ 780. b) Trong HTKT lò DVPT, khi thu hồi than hạ trần, than luôn dịch chuyển xuống trước, đá vách sập đổ sau, theo trật tự nhất định,
5. 3 không hỗn loạn và đá vách của phân tầng thứ hai trở đi luôn dễ sập đổ hơn phân tầng đầu tiên. c) Trong HTKT lò DVPT, chiều cao PTKT tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa, tỷ lệ tổn thất than cho phép, tỷ lệ nghịch với bước hạ trần và có thể được nâng cao khi sử dụng DCTH có cửa sổ thu hồi than trên xà phá hoả với bộ phận cấp liệu phía dưới và thu hồi than đồng thời trên các cửa sổ tháo, khe hở giữa các DCTH. Trong điều kiện các vỉa dày, dốc đặc trưng vùng Quảng Ninh (vỉa dày 7 m, dốc 650), khi sử dụng DCTH, chiều cao PTKT hợp lý được xác định khoảng từ 13,2 ÷ 23,5 m. d) Trong HTKT lò DVPT, chiều dài theo phương KKT tỷ lệ thuận với SLKT, tỷ lệ nghịch với chiều cao PTKT và phụ thuộc vào kết cấu chống lò DVPT, độ cứng của than, sự nhịp nhàng giữa công tác đào lò – khai thác. Trong điều kiện địa chất, kỹ thuật các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh, chiều dài theo phương KKT hợp lý khi sử dụng DCTH được xác định khoảng từ 130 ÷ 150 m. 9. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án được kết cấu gồm: phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận – kiến nghị, được trình bày trong 115 trang đánh máy khổ A4 210x217 mm với 19 bảng biểu, 57 hình vẽ và biểu đồ. 10. CÁC ẤN PHẨM ĐÃ CÔNG BỐ Tác giả Luận án đã công bố 03 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, 04 báo cáo tại các hội nghị khoa học và 05 công trình nghiên cứu tại các hội đồng khoa học các cấp. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HTKT LÒ DVPT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KIỆN CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1.1. Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới 1.1.1. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT áp dụng CNKT (công nghệ khai thác) thủ công gồm các dạng sau: * HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn: áp dụng cho vỉa dày 3 ÷ 7 m, dốc hơn 450; chiều cao phân tầng 6 ÷ 10 m; NSLĐ
6. 4 đạt 4 ÷ 6 tấn/công, SLKT 80 ÷ 120 tấn/ca, tổn thất than 28 ÷ 47%. * HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan dài: áp dụng cho vỉa ổn định, dày 4,5 ÷ 15 m, dốc > 410; chiều cao PTKT 35 m; NSLĐ đạt 28 tấn/công, tổn thất than 35 %. * HTKT lò DVPT kết hợp với máy khoan đường kính lớn (PSO): áp dụng cho vỉa ổn định, dày 3,0  8,0 m, dốc > 45; các lỗ khoan có đường kính 850 mm, cách nhau từ 6 ÷ 8 m; SLKT 50  60 ngàn tấn/năm, NSLĐ đạt 8  15 tấn/công, tổn thất than 35  45%. Các HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH bao gồm: * Tại khu vực Prokopevsko-Kiselevsk, LB Nga: đã áp dụng tổ hợp PKK, KPO, APV, KPV cho vỉa dày 6  14 m, dốc 48o  64o; chiều cao PTKT 6  23 m; NSLĐ 40 tấn/công, SLKT 242  472 tấn/ngày, tổn thất than 18%. Do nguy hiểm về khí, nên thử nghiệm bị dừng lại. * Tại Ba Lan: HTKT lò DVPT sử dụng DCTH BMV-10 của Slovakia được áp dụng tại mỏ "Kazimierz Juliusz”, vỉa dày 20 m, dốc 45o; chiều dài theo phương KKT 150  200 m, chiều cao PTKT 20  40 m. HTKT đã hoạt động tốt, nhưng đã dừng do trữ lượng hết. * Tại vùng than Kuznetsk, LB Nga: Viện Mỏ Siberi đã nghiên cứu, thiết kế tổ hợp dàn chống KPV1 cho HTKT lò DVPT tại vùng Kuznetsk. Trong HTKT này, trần than phía trên được làm yếu bằng các lò DVPT trung gian đào trong than, chiều dài theo phương KKT từ 150 ÷ 200 m, chiều cao PTKT từ 15 ÷ 20 m (Hình 1.1, Hình 1.2). Hình 1.1: HTKT lò DVPT sử dụng Hình 1.2: Tổ hợp dàn tổ hợp dàn chống KPV1 chống KPV1
7. 5 Dàn chống KPV1 có ưu điểm: diện tích cửa tháo lớn, việc tải than được CGH, có bộ phận cấp liệu cho phép nâng cao hiệu quả thu hồi. Khi áp dụng các tổ hợp CGH, chiều cao PTKT được nâng lên, nên cần thiết phải làm yếu trần than. Có nhiều phương pháp làm yếu trần than đã áp dụng như: khoan nổ mìn (KNM), thủy lực, địa chấn và sóng phân cực. Phương pháp làm yếu bằng KNM, sử dụng kíp nổ vi sai phi điện an toàn, chất nổ dạng dẻo có hiệu quả nhất. 1.1.2. Đánh giá kết quả áp dụng HTKT lò DVPT - HTKT lò DVPT sử dụng CNKT thủ công được áp dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới; tuy nhiên, SLKT, NSLĐ không cao. - HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH đạt các chỉ tiêu KTKT tốt, đặc biệt là an toàn lao động, SLKT và NSLĐ cao. - Khi áp dụng CGH khai thác, chiều dày vỉa lớn hơn 5 m, chiều cao PTKT lên tới 40 m, chiều dài theo phương KKT lên tới 200 m. - Phương pháp làm yếu trần than bằng KNM có nhiều ưu điểm hơn cả so với các phương pháp khác. - Dàn chống KPV1 có nhiều ưu điểm hơn cả so với các loại khác khi được áp dụng trong HTKT lò DVPT. 1.1.3. Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới Các công trình nghiên cứu về HTKT lò DVPT chủ yếu tập trung vào các giải pháp kỹ thuật, công nghệ. Các tham số của HTKT chủ yếu được chọn theo kinh nghiệm, không có công thức tính toán. Các phương pháp sử dụng gồm: nghiên cứu lý thuyết, hiện trường mỏ, mô hình vật liệu tương đương và gần đây sử dụng mô hình số. 1.1.4. Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc trên thế giới Để nâng cao hiệu quả, an toàn, có thể hoàn thiện HTKT lò DVPT theo các hướng như sau: tăng cường áp dụng các tổ hợp CGH; đồng thời, nâng cao các thông số của HTKT tới mức phù hợp và sử dụng giải pháp làm yếu trần than bằng KNM. 1.2. Tổng quan kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh 1.2.1. Khái quát chung về bể than Quảng Ninh
8. 6 Bể than Quảng Ninh có diện tích khoảng 1.400 km2, gồm ba khu vực: Cẩm Phả, Hòn Gai, Uông Bí. Than thuộc loại Antraxít, có chất lượng tốt. Tổng trữ lượng than còn lại tính đến ngày 1/1/2011 là 8.826.923 ngàn tấn. Hiện nay, tại Quảng Ninh, có khoảng 20 mỏ, điểm khai thác lộ thiên và khoảng 30 mỏ hầm lò. Năm 2013, SLKT đạt 45 triệu và tỷ trọng than khai thác hầm lò đạt 54,0%. SLKT và tỷ trọng than khai thác hầm lò có xu hướng tăng trong giai đoạn tới. 1.2.2. Đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh - Địa tầng: có tuổi địa chất thuộc hệ Triats - Thống Thượng, bậc Nori - Rêti - hệ tầng Hòn Gai (T3n-rhg), phụ hệ tầng Hòn Gai giữa T3n- rhg2; có chiều dày thay đổi từ 200  1500 m; chứa các loại đá: sét than, sét kết, bột kết, cát kết, cuội sạn kết và các vỉa than. - Kiến tạo: có nhiều nếp uốn lớn, dài từ 35  40 km, dốc 200 ÷ 800 và trên hai cánh thường phát triển các nếp uốn bậc cao. - Điều kiện địa chất thủy văn: nhiều suối, nước dưới đất quan hệ mật thiết với nước mặt, điều kiện thủy văn phức tạp. - Điều kiện khí mỏ: phần lớn các mỏ được xếp loại I, II về độ chứa khí mê tan, ngoại trừ mỏ Mạo Khê được xếp siêu hạng. - Chất lượng than: bể than Quảng Ninh có tới 96,19% là than antraxit và bán antraxit, có chất lượng tốt. - Tính tự cháy của than: than có khả tự cháy thấp, mới phát hiện vỉa 24 – Tràng Khê II, III và vỉa 5 - Khe Chuối có tính tự cháy. - Trữ lượng các vỉa than: được xác định có khả năng áp dụng CGH là 116.564,90 nghìn tấn, chiếm 10  12% tổng trữ lượng, trong đó: vỉa dày 5,0  10,0 m, chiếm 48,8%; vỉa có chiều dài theo phương > 800 m, chiếm 55,7% và từ 300  800 m chiếm 39,11%. 1.2.3. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh * HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn: được áp dụng tại hầu hết các mỏ, cho điều kiện: vỉa dốc hơn 450, dày từ 2 ÷ 5 m; chiều dài theo phương KKT khoảng 80 ÷ 100 m, chiều cao PTKT từ 6 ÷ 8 m; chống bằng các cũi lợn gỗ hoặc vì thủy lực; công suất 25  35 ngàn tấn/năm, NSLĐ 2,5  3,5 tấn/công, chi phí lò chuẩn bị 50  60
9. 7 m/1000 tấn, tổn thất than 25  35% ; ưu điểm là thích ứng tốt với điều kiện địa chất phức tạp, quy trình kỹ thuật đơn giản; nhược điểm là chi phí mét lò chuẩn bị, tổn thất than cao, NSLĐ thấp. * HTKT lò DVPT kết hợp với máy khoan đường kính lớn (PSO): đã được áp dụng tại mỏ Mông Dương cho vỉa ổn định với chiều dày 3  8 m, dốc > 45; công suất 35.000 tấn/năm; NSLĐ 3,5 tấn/công; chi phí gỗ 25 m3/1000 tấn, tổn thất than 35%; ưu, nhược điểm tương tự như HTKT đã áp dụng tại Liên Xô (cũ). * HTKT lò DVPT sử dụng DCTH kết hợp nổ mìn trong lỗ khoan dài: được thử nghiệm tại mỏ Hà Ráng với vỉa dày 6,5m; dốc 560 ; chiều cao PTKT 15 m; chống bằng tổ hợp KDT-2. Do ảnh hưởng bởi nước mặt, nên thử nghiệm chưa thành công; tuy nhiên, công nghệ đã chứng minh được hiệu quả như: SLKT đạt 4297 tấn/tháng, NSLĐ đạt 7,4 tấn/công, mức độ an toàn được nâng cao. 1.2.4. Đánh giá kết quả áp dụng HTKT lò DVPT - Chủ yếu áp dụng CNKT thủ công, chiều cao PTKT 6 ÷ 8 m, chiều dài KKT từ 80 ÷ 100 m, SLKT, NSLĐ thấp, tổn thất than cao. - Công nghệ CGH được áp dụng còn rất ít và chưa thành công; tuy nhiên, bước đầu đã chỉ ra hiệu quả của công nghệ. 1.2.5. Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh Đã có các công trình nghiên cứu về HTKT lò DVPT cho điều kiện vùng Quảng Ninh, được áp dụng và mang lại kết quả tốt. Các công trình này chủ yếu nghiên cứu về CNKT thủ công, về công nghệ CGH còn hạn chế. Việc nghiên cứu hoàn thiện các tham số của HTKT, CNKT ít được quan tâm, nếu có thường là chiều cao PTKT. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phân tích lý thuyết kết hợp với nghiên cứu tại thực tế hiện trường. 1.2.6. Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh - Tăng cường áp dụng công nghệ, thiết bị CGH phù hợp; - Xác định được các tham số phù hợp cho HTKT khi áp dụng công nghệ CGH đào lò và khai thác; - Lựa chọn kết cấu, tiết diện, vật liệu chống giữ, gia cường các
10. 8 đường lò phù hợp với điều kiện địa chất, HTKT, CNKT được áp dụng; - Hoàn thiện giải pháp nổ mìn trong các lỗ khoan dài theo hướng áp dụng CGH khâu nạp kíp, mìn để rút ngắn thời gian thi công; - Kiểm soát tốt nguy cơ về cháy nổ khí, bục nước, sập đổ lò. 1.3. Kết luận Chương 1 - Trên thế giới, HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp CGH đã được áp dụng rộng rãi cho vỉa dày hơn 5 m, chiều cao PTKT lên tới 20 m và chiều dài theo phương KKT tới 200 m; các chỉ tiêu KTKT đạt tốt. - Các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh có trữ lượng lớn, thuận lợi để áp dụng công nghệ CGH trong HTKT lò DVPT. - HTKT lò DVPT sử dụng CNKT thủ công được áp dụng rộng rãi tại vùng Quảng Ninh; tuy nhiên, SLKT và NSLĐ còn thấp, tổn thất than cao. Trong khi đó, công nghệ CGH chưa thành công. - Có nhiều nghiên cứu về HTKT lò DVPT; tuy nhiên, chủ yếu tập trung vào các khâu công nghệ, giải pháp kỹ thuật, chưa xác định được tham số của HTKT theo các yếu tố địa chất, kỹ thuật. - Để nâng cao hiệu quả HTKT lò DVPT tại vùng Quảng Ninh cần: tăng cường áp dụng CGH; xác định được các tham số phù hợp cho HTKT; lựa chọn được kết cấu, tiết diện, vật liệu chống giữ, gia cường các đường lò; hoàn thiện giải pháp nổ mìn trong lỗ khoan dài; kiểm soát hiệu quả nguy cơ về cháy nổ khí, bục nước, sập đổ lò. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THU HỒI THAN NÓC TRONG HTKT LÒ DVPT SỬ DỤNG DÀN CHỐNG 2.1. Quy luật dịch chuyển của than – đá trong quá trình thu hồi than nóc Các nghiên cứu đầu tiên về hạ trần, thu hồi than nóc được thực hiện tại Trường Đại học Mỏ Leningrad vào những năm 1949 ÷ 1953 cho thấy: để đảm bảo quá trình tháo than diễn ra bình thường, chiều cao của lớp than được tháo phải lớn hơn kích thước của cục than từ 4 ÷ 6 lần và không quá 2  15 lần kích thước của cửa tháo than; khối than được tháo phải được bố trí nghiêng về phía không gian khai thác 60o ÷ 80o và khoảng cách giữa các cửa sổ tháo phải là tối thiểu. Ivanov B.A. đã thí nghiệm tháo than tại cửa tháo đơn bằng mô