Nguyễn Trúc Anh
Tổng công ty Công nghiệp Hóa chất Mỏ - Vinacomin Biên Tập: TS Lưu Văn Thực
Tóm tắt:
Công nghệ bóc đất đá bờ trụ mỏ than Na Dương bằng phương pháp cày xới là một trong những giải pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng chấn động đến ổn định bờ trụ, đảm bảo an toàn cho các Nhà máy nhiệt điện và khai thác xuống sâu. Khả năng cày xới phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất đá về độ kiên cố và mật độ nứt nẻ, được đặc trưng bởi tốc độ truyền âm. Kết quả đo tốc độ truyền âm bờ trụ là cơ sở để tính toán, lựa chọn công suất thiết bị, sơ đồ và thông số công nghệ cày xới phù hợp đặc điểm tự nhiên, kỹ thuật của bờ trụ, từ đó triển khai áp dụng công nghệ cày xới vào thực tế quá trình sản xuất trên mỏ than Na Dương.
1. Tổng quan về các sơ đồ công nghệ bóc đất đá bằng máy cày xới
Máy cày xới thực chất là máy gạt bánh xích, phía sau máy được lắp một bàn xới có 1÷5 răng tùy thuộc đặc tính đất đá xới, phía trước là lưỡi gạt (Hình 1).
Tại các mỏ lộ thiên tiên tiến trên thế giới, hiện đang sử dụng máy cày xới làm tơi đất đá, áp dụng các sơ đồ công nghệ và điều kiện áp dụng, cụ thể như sau [1]:
* Các sơ đồ xới theo lớp ngang:
- Sơ đồ công nghệ xới theo rạch dọc kề nhau dạng: dọc - tròn (hình 2a); xoắn trôn ốc (hình 2b);
dích dắc (hình 2c);
- Sơ đồ công nghệ xới theo rạch dọc xen nhau dạng: dọc - tròn (hình 2d); xoắn trôn ốc (hình 2e);
dích dắc (hình 2h);
- Sơ đồ công nghệ xới theo rạch kề nhau dạng:
dọc - ngang (hình 2k).
* Các sơ đồ xới theo lớp nghiêng:
- Xới đá theo lớp nghiêng (α < 200), vận tải từ trên xuống dưới. Chiều dài đường cày hợp lý trong khoảng 70÷90 m.
Việc xới được tiến hành bằng các luồng song song kề nhau trên mặt ngang hay mặt xiên. Các sơ đồ công nghệ làm tơi đất đá của máy xới xem hình 3. Khi xới theo lớp xiên (đến 200) thì lực kéo của máy xới được sử dụng nhiều nhất khi hành trình làm việc xuống dốc và chạy không tải lên dốc. Sơ đồ công nghệ bóc đá bằng máy xới theo lớp nghiêng xem hình 3.
Để các thiết bị cày xới làm việc hiệu quả, mỗi dải đất đá xới có kích thước 50x100 m, sâu 0,5÷1 m (tuỳ thuộc vào loại đất đá), khoảng cách giữa Hình 1. Máy cày xới D7R của hãng Caterpillar
trên mỏ than Khánh Hòa
Hình 2. Các sơ đồ công nghệ bóc đất đá bằng máy xới theo lớp ngang [1].
a, b, c - rạch kề nhau: dọc - tròn; xoáy trôn ốc;
dích dắc; d, e, h - rạch xen nhau: dọc - tròn; xoáy trôn ốc; dích dắc; k – kề nhau: dọc - ngang.
23
các đường xới 1÷1,5 m. Xới xong, vun đống cao 3 m, chiều dài gạt khi vun đống 30÷40 m.
* Kinh nghiệp áp dụng các sơ đồ công nghệ cày xới:
1. Sơ đồ công nghệ cày xới rạch kề nhau dạng dọc – tròn (Hình 2a):
Sơ đồ công nghệ rạch kề nhau dọc - tròn thường được sử dụng khi đất đá yếu, tốc độ truyền âm từ 500÷1.500 m/s, khu vực cày xới có kích thước bề ngang hạn chế.
2. Sơ đồ công nghệ rạch kề nhau xoáy trôn ốc (Hình 2b)
Tương tự sơ đồ công nghệ rạch kề nhau dọc – tròn, sơ đồ công nghệ rạch kề nhau xoáy trôn ốc cũng thường được sử dụng đối với các loại đất đá yếu. Tuy nhiên, sơ đồ này chỉ áp dụng khi điều hiện làm việc thuận lợi, không bị hạn chế về chiều chiều ngang (bề rộng mặt tầng công tác ≥ 30 m).
3. Sơ đồ công nghệ rạch kề nhau dích dắc (Hình 2c)
Sơ đồ công nghệ rạch kề nhau chuyển thường ít khi được các mỏ áp dụng, do hiệu quả cày xới thấp và để lại nhiều mô đất đá lớn. Sơ đồ này chỉ sử dụng khi các loại đất đá yếu, phân lớp mỏng, nứt nẻ mạnh và điều kiện làm việc có chiều ngang lớn (bề rộng mặt tầng công tác ≥ 50 m).
4. Sơ đồ công nghệ cày xới rạch xen nhau (Hình 2d, e, f)
Các sơ đồ công nghệ cày xới rạch xen nhau bao gồm: Rạch xen nhau dọc tròn; rạch xen nhau xoáy trôn ốc và rạch xen nhau dích dắc.
Điều kiện áp dụng các sơ đồ công nghệ rạch xen nhau cũng tương tự như các sơ đồ công nghệ cày xới của rạch kề nhau. Tuy nhiên, các sơ đồ công nghệ cày xới rạch xen nhau có thể áp dụng với điều kiện các loại đất đá rắn hơn, ít nứt nẻ hơn so với sơ đồ công nghệ cày xới rạch kề nhau và tốc độ truyền âm có thể đến 3.000 m/s. Khi sử dụng công nghệ rạch xen nhau có thể bố trí 02 máy xới kề nhau cùng làm việc để tăng sản lượng bóc đất đá hoặc dùng xới sau khi khoan nổ mìn sơ
bộ với khoảng mạng lỗ khoan lớn, chỉ tiêu thuốc nổ nhỏ.
5. Sơ đồ công nghệ cày xới kề nhau: dọc – ngang
Sơ đồ công nghệ cày xới kề nhau: Dọc - ngang (Hình 2k) thường được áp dụng trong trường hợp điều kiện làm việc trên diện tích mặt bằng lớn, đất đá có độ kiên cố trung bình với tốc độ truyền âm dưới 2.500 m/s.
2. Đặc điểm địa chất, địa chấn đất đá khu vực bờ trụ mỏ than Na Dương
Theo Báo cáo kết quả thành lập bổ sung bản đồ cơ lý đá mỏ than Na Dương năm 2017, do Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin lập, đã được Tập đoàn TKV thông qua tại Văn bản số 6150/TKV- TN ngày 25/12/2017, đất đá bờ trụ mỏ than Na Dương gồm 03 lớp đá: Cát kết, bột kết và sét kết, có cường độ kháng nén thay đổi từ 115,8÷307,6 kG/cm2, khối lượng thể tích: 2,31÷2,35 g/cm3, thế nằm cắm vào không gian khai thác với góc dốc từ 150÷220 [3].
Năm 2020, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin đã phối hợp với Liên đoàn Vật lý Địa chất thực hiện khảo sát tốc độ truyền âm trên bờ trụ mỏ than Na Dương theo Dự án SXTN: Hoàn thiện các giải pháp công nghệ xử lý bờ trụ mỏ than Na Dương đảm bảo an toàn cho các công trình trên bề mặt và khai thác xuống sâu. Kết quả khảo sát tại 5 tuyến, chiều dài mỗi tuyến khảo sát từ 300
÷ 460 m, tổng chiều dài 2.210 m. Các tuyến cách nhau từ 208 ÷ 492 m, trải dài từ đầu khu I (T1, T2, T3) đến hết khu II (T4, T5), với khoảng cách từ tuyến T1 đến tuyến T5 khoảng 1.300 m, đã xác định 06 lớp vận tốc từ hiện trạng mặt trụ vào sâu trong bờ mỏ. Mặt cắt điển hình tuyến T4 khảo sát tốc độ truyền âm thể hiện hình 4. Tổng hợp kết quả đo tốc độ truyền âm thể hiện bảng 1.
3. Tính toán, lựa chọn sơ đồ, thông số công nghệ bóc đất đá bờ trụ mỏ than Na Dương bằng máy cày xới
3.1. Lựa chọn thiết bị cày xới Hình 3. Sơ đồ công nghệ bóc đá bằng máy cày xới theo lớp nghiêng [1]
a – Chiều cao tầng 5 m; b – Chiều cao tầng 10 m; 1 - Máy cày xới; 2 - Máy xúc tải.
Dự án mở rộng nâng công suất mỏ than Na Dương (Dự án MRNCS mỏ Na Dương) với công suất 1,2 triệu tấn/năm do Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin lập năm 2016 đã được Bộ Công Thương có thẩm định tại Công văn số 6252/
BCT-TCNL ngày 11/7/2016; TKV thông qua nội dung Dự án tại Công văn số 5064/TKV-ĐT ngày 21/10/2016; Hội đồng quản trị TCT Việt Bắc phê duyệt Dự án tại Quyết định số 0223/QĐ-HĐQT ngày 18/11/2016. Bờ trụ mỏ than Na Dương được cắt sâu vào trong mặt trụ vỉa 4 từ 10÷20 m theo phương vuông góc thành 4 tầng, mỗi tầng có chiều cao 36 m tại các mức: +270; +234; +198;
+162, với khối lượng bóc đất 19,17 triệu m3 [2].
Đất bóc trụ hàng năm từ 0,73÷2,25 triệu m3, trung bình khoảng 1,5 triệu m3 và dự kiến trung bình
khoảng 0,3 triệu m3 (20%) khối lượng đất bóc bờ trụ được thực hiện bằng công nghệ cày xới [4].
Giữa tốc giữa tốc độ truyền âm của nham thạch và công suất động cơ, trọng lượng của máy xới có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Trên cơ sở kết quả đo, xác định tốc độ truyền âm của bờ trụ mỏ than Na Dương, đất đá bờ trụ có tốc độ truyền âm từ 700 m/s đến lớn hơn 2.000 m/s, tương ứng với công suất máy xới để thực hiện công tác cày xới được thể hiện ở bảng 2.
Kết hợp thiết kế cắt tầng bờ trụ mỏ Na Dương, với mặt cắt địa chất địa vật lý trên bờ trụ (Hình 6) cho thấy: Đất đá bờ trụ cần làm tơi bằng cày xới chủ yếu nằm trong lớp vận tốc từ 700÷2.000 m/s, tương ứng với công suất của máy N =73÷320 kW.
Hiện nay, Công ty than Na Dương – VVMI chỉ Bảng 1. Tổng hợp kết quả đo tốc độ truyền âm các lớp đất đá bờ trụ mỏ than Na Dương [5]
TT Nham thạch Tốc độ truyền âm, m/s Chiều dày lớp, m Độ sâu lớp, m
T1 T2 T3 T4 T5 TB
1 Lớp phủ <1000 1,164 0,869 0,635 0,453 0,552 0,735 0,735
2 Cuội kết 1000÷1250 0,946 0,499 1,570 0,398 0,414 0,765 1,500
3 Cát kết 1250÷1500 3,372 1,755 1,087 4,065 2,898 2,635 4,135
4 Cát cuội kết 1500÷1750 6,040 3,171 7,872 6,070 7,258 6,082 10,218 5 Bột kết 1750÷2000 7,326 10,239 12,303 7,429 14,296 10,319 20,536
6 Sét kết >2000 - - - >20,536
Hình 4. Khảo sát tốc độ truyền âm và địa chấn tại tuyến 4 (T4)
Bảng 2. Mối quan hệ giữa G, N với tốc độ truyền âm của đất đá
TT Chỉ tiêu Đơn
vị Giá trị
1 Tốc độ truyền âm, Ve m/s 700 1.000 1.250 1.500 1.750 2.000 >2000
2 Công suất động cơ, N kW 73 130 177,5 225 272,5 320 >320
3 Trọng lượng máy, D tấn 12,10 21,90 30,07 38,24 46,41 54,58 >54,58
25
có thiết bị D7R cùng chủng loại thiết bị hoạt động tại mỏ than Khánh Hòa (Hình 1) có công suất 194kW [6], do vậy kiến nghị thời kỳ đầu sử dụng máy D7R để giảm vốn đầu tư, khi các máy xới D7R hết khấu hao cần đầu tư máy xới có công suất đạt 320 KW hoặc tương đương để nâng cao hiệu quả công tác làm tơi đất đá.
3.2. Sơ đồ công nghệ cày xới
Đất đá bờ trụ mỏ than Na Dương thuộc loại đất đá yếu, phân lớp mỏng, thế nằm của các lớp đất đá cắm vào không gian khai thác, kích thước mặt tầng công tác trên bờ trụ (tính từ trụ vỉa than tới bờ trụ kết thúc) không lớn, trung bình từ 20÷50 m.
Phù hợp với điều kiện công tác trên bờ trụ mỏ than Na Dương và với công suất máy D7R (194kW), đề xuất công nghệ cày xới đối với bờ trụ mỏ Na Dương: công nghệ cày xới rạch kề nhau dạng dọc – tròn và sơ đồ công nghệ cày xới rạch xen nhau dạng dọc – tròn (Hình 5).
Máy cày xới làm việc theo đường phương của bờ tầng, xới đất đá thành các lớp theo trình tự từ trên xuống dưới. Đất đá sau khi được xới xong, sẽ sử dụng bàn gạt của máy xới, chiều dài vun đống từ 30÷50 m, sau đó dùng máy xúc máy xúc thủy lực gàu ngược (TLGN) xúc lên ô tô tự đổ để vận chuyển đi đổ thải. Để đảm bảo quá trình bóc đất đá bờ trụ được liên tục, an toàn- hiệu quả, trên bờ mỏ chia thành 3 khu vực: Khu vực cày xới, khu vực dự trữ và khu vực xúc bốc.
Sơ đồ công nghệ bóc đất bờ trụ mỏ than Na Dương thể hiện hình 6.
3.3. Các thông số công nghệ cày xới
Các thông số làm việc của máy cày xới gồm:
chiều sâu xới tối đa (hr), chiều sâu xới hiệu quả (hq), chiều rộng rãnh xới trên mặt (B), chiều rộng rãnh xới dưới sâu (b’), khoảng cách giữa hai rãnh đào kề nhau (C) (hình 7) [6].
Kết quả tính toán các thông số làm việc máy cày xới D7R thi công trên bờ trụ mỏ than Na Dương theo các lớp vận tốc đất đá thể hiện bảng 3.
3.4. Xác định năng suất thiết bị (CAT D7R)
* Năng suất cày xới của thiết bị:
Năng suất kỹ thuật của thiết bị CAT D7R thực hiện công tác cày xới phụ thuộc vào đặc tính âm học của đất đá, sơ đồ công nghệ xới, thông số làm việc của thiết bị, chủng loại, chất lượng thiết bị, công tác tổ chức lao động trong ca và trình độ tay nghề của công nhân vận hành.
Năng suất của thiết bị thực hiện cày xới được xác định theo công thức sau [1]:
, m3/ca (1) Hình 5. Sơ đồ công nghệ bóc đất đá bằng máy cày xới tại bờ trụ mỏ Na Dương
a - Rạch kề nhau dạng dọc - tròn; b - Rạch xen nhau dạng dọc - tròn;
Hình 5. Sơ đồ công nghệ bóc đất đá bằng máy cày xới tại bờ trụ mỏ Na Dương
a - Rạch kề nhau dạng dọc - tròn; b - Rạch xen nhau dạng dọc - tròn;
1 2
60 q
ca sp
C h K L
Q xT
t t
× × × ×
= +
gian làm ra sản phẩm trong ca, giờ.
Kết quả tính toán năng suất thiết bị D7R khi vận hành máy cày xới trên khu vực bờ trụ mỏ than Na Dương có kích thước dài x rộng: 55 m x 30 m (Bảng 3).
* Năng suất gạt của thiết bị:
Hình 7. Sơ đồ xác định các thông số rãnh xới [1]
Bảng 3. Các thông số công nghệ cày xới trên bờ trụ mỏ than Na Dương [6]
TT Thông số Ký
hiệu Đơn vị
Lớp vận tốc tốc truyền âm của đất đá, m/s 700≤Ve
≤ 1.000 1.000<Ve
≤ 1.250 1.250<Ve
≤ 1.500 1.500<Ve
≤ 1.750 1.750<Ve
≤ 2.000
1 Chiều sâu ngập răng tối đa hn m 0,748 0,748 0,748 0,748 0,748
2 Góc nghiêng thành rãnh xới α độ 60 60 60 60 60
3 Chiều rộng đáy rãnh hào b’ m 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
4 Hệ số chú ý đến hình dạng tiết diện ngang của rãnh đào K1 1 0,95 0,9 0,8 0,8
5
Hệ số chú ý đến sự ảnh hưởng của tình trạng khối đá tới kích thước của trụ đá không bị phá huỷ
K2 0,9 0,9 0,95 0,95 1
6 Chiều rộng rãnh xới trên mặt B m 0,96 0,92 0,88 0,79 0,79
7 Khoảng cách giữa hai rãnh đào kề nhau C m 0,48 0,46 0,44 0,40 0,40
8 Chiều sâu xới hiệu quả hq m 0,46 0,44 0,40 0,36 0,34
9 Khối lượng đất đá 1 lớp cày m3 765 731 660 595 565
10 Số lượng luồng cày luồng 62 65 68 76 76
11 Tốc độ máy cày xới khi làm việc V m/phút 40,00 40,00 33,33 33,33 26,67 12 Thời gian nâng, hạ cần xới và quay đầu t1 phút 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 13 Thời gian di chuyển trung bình 1 luồng cày phút 1,38 1,38 1,65 1,65 2,06 14 Hệ số sử dụng máy cày xơi trong một giờ K 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 15 Năng suất thiết bị tính toán Qh m3/
giờ 340 310 229 186 145
16 Hệ số chuyển đổi từ tính toán lý thuyết sang thực tế 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 17 Thời gian làm ra sản phẩm trong ca Tsp phút 345 345 345 345 345 18 Năng suất thực tế máy cày xới
- Năng suất ca hoạt động Qcatt m3/ca 1.565 1.428 1.051 854 667 - Năng suất năm hoạt động Qntt m3/
năm 807.710 736.942 542.396 440.859 344.146
27
Sau khi cày xới, sử dụng máy cày xới D7R thực hiện công tác gạt gom đất đá để máy xúc xúc tải lên ô tô. Năng suất gạt của thiết bị phụ thuộc mức độ tơi xốp của đất đá sau cày xới, cự ly gạt, công tác tổ chức lao động trong ca và trình độ tay nghề của công nhân vận hành.
Năng suất kỹ thuật của thiết bị thực hiện gạt gom xác định theo công thức sau [1]:
, m3/ca (2)
Trong đó: G- Khối lượng đất đá trước bàn gạt gom đất trụ, m3; Lg- Chiều dài đất đá trước lưỡi gạt, m; H- Chiều cao đất đá trước lưỡi gạt, m; φ- Góc nghiêng đất trụ cày xới trước lưỡi gạt, φ = 450; K- Hệ số tính đến điều kiện làm việc (K =1 với điều kiện làm việc bình thường, đất cày xới tơi xốp); Tck- Thời gian chu kỳ gạt, phút.
Kết quả tính toán năng suất kỹ thuật thiết bị D7R tiến hành gạt gom đất trụ sau cày xới trên bờ trụ mỏ than Na Dương được thể hiện ở bảng 4.
4. Kết Luận
Kết quả tính toán, lựa chọn thiết bị, sơ đồ, thông số công nghệ bóc đất đá bờ trụ mỏ than Na Dương bằng máy cày xới đảm bảo độ tin cậy, cơ sở khoa học để triển khai thi công. Năng suất của thiết bị cày xới D7R công suất 194 KW hiện có đảm bảo sản lượng cày xới hàng năm tại bờ trụ mỏ than Na Dương. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả của công nghệ cày xới, giảm chi phí sản xuất, cần đầu tư thiết bị cày xới có công suất lớn
đến 320 KW.
Tài liệu tham khảo:
[1] Hồ Sỹ Giao, Bùi Xuân Nam và Nguyễn Anh Tuấn, Khai thác khoáng sản rắn bằng phương pháp lộ thiên, Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009.
[2] Lưu Văn Thực, Báo cáo nghiên cứu khả thi đầu tư xây dựng: Mở rộng nâng công suất mỏ than Na Dương, Viện KHCN Mỏ - Vinacomin, Hà Nội, 2016.
[3] Viện KHCN Mỏ - Vinacomin, Báo cáo thành lập bổ sung bản đồ cơ lý đá (lộ thiên) năm 2017 mỏ than Na Dương Công ty Than Na Dương – VVMI, Hà Nội, 2017.
[4] Lưu Văn Thực, Nghiên cứu công nghệ bóc đất đá hợp lý đối với các bờ trụ mỏ lộ thiên bị trượt lở đảm bảo an toàn cho các công trình trên mặt, Viện Khoa học Công nghệ - Vinacomin, Hà Nội, 2017.
[5] Báo cáo kết quả khảo sát tốc độ truyền âm thuộc Dự án SXTN: Hoàn thiện các giải pháp công nghệ xử lý bờ trụ mỏ than Na Dương đảm bảo an toàn cho các công trình trên bề mặt và khai thác xuống sâu, Liên đoàn Vật lý Địa chất, Hà Nội, 2020.
[6] Caterpilar, 2010. Cat Performance Handbook Edition 40;
60
ca sp
ck
Q G K xT T
= × ×
Bảng 4. Năng suất kỹ thuật thiết bị D7R khi gạt gom đất trụ sau cày xới
TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
1 Thời gian chu kỳ gạt Tck phút 1,09
2 Chiều dài đất đá trước lưỡi gạt Lg m 3,64
3 Chiều cao đất đá trước lưỡi gạt H m 1,43
4 Góc nghiêng đất trụ cày xới trước lưỡi gạt ϕ độ 45
5 Thể trọng đất trụ γ tấn/m3 2,35
6 Khối lượng đất đá trước bàn gạt gom đất trụ G m3 3,72
7 Hệ số tính đến điều kiện làm việc K 1
9 Thời gian làm ra sản phẩm trong ca Tsp giờ/ca 5,75
10 Năng suất gạt gom đất trụ thiết bị
- Năng suất ca hoạt động Qca m3/ca 1.182
- Năng suất thiết bị theo năm Qn m3/n 610.000
Eng. Nguyen Truc Anh - Vinacomin- Mining chemical industry holding corporation limited Abstract:
The technology of removing rock at the pit slope of Na Duong coal mine by plowing machine is one of solutions to minimize the impact of shocks on the stability of the pit slope, ensuring the safety of thermal power plants and deep mining. The plowing capacity depends on the rock’s physical and mechanical properties in terms of stiffness and fracture density, which is characterized by the speed of sound transmission. The results of measuring the sound transmission speed of the pit slope are the basis for calculating and selecting equipment power, diagrams and plowing technology parameters in accordance with the natural and technical characteristics of the pit slope, from which to apply plowing technology to the actual production process on Na Duong coal mine.