Điều chỉnh chiều rộng đống đá nổ mìn phù hợp với thông số làm việc máy xúc và chiều rộng mặt tầng trên mỏ lộ thiên

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 14 Điều chỉnh chiều rộng đống đá nổ mìn phù hợp với thông số làm việc máy xúc và chiều rộng mặt tầng trên mỏ lộ thiên Nguyễn Văn Đức1,*, Phạm Văn Hòa2 1Khoa Mỏ & CT, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh 2Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ-Địa chất * Email: ducn467@mail.com.vn Mobile: 0904.645.672 Tóm tắt Từ khóa: Bờ mỏ; Mặt tầng công tác; Máy xúc; Chiều rộng đống đá nổ mìn Khoan nổ mìn là khâu đầu tiên trong dây truyền công nghệ sản xuất mỏ lộ thiên,và có quan hệ mật thiết với hệ thống khai thác mỏ và các khâu sản xuất tiếp theo như: khâu xúc bốc đất đá, vận tải và thải đá...nó cũng quyết định cho việc hoàn thành kế hoạch sản xuất năm của xí nghiệp mỏ. Để nâng cao hiệu quả công tác khoan nổ mìn, phù hợp với yêu cầu môi trường mỏ. Bài báo trình bày các vấn đề cần giải quyết sau: Lý do cần thiết phải điều chỉnh chiều rộng đống đá tơi khi nổ mìn;Yêu cầu của chiều rộng đống đá phù hợp với máy xúc và mặt tầng công tác khi áp dụng hệ thống khai thác mỏ có góc nghiêng bờ công tác lớn; Cách tính chiều rộng đống đá thực tế sau khi nổ mìn; Các phương pháp điều chỉnh chiều rộng đống đá phù hợp các yêu cầu. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ khai thác mỏ lộ thiên ở Việt Nam đã có nhiều tiến bộ cả về kỹ thuật khai thác cũng như sử dụng các thiết bị công nghệ khai thác. Về kỹ thuật khai thác, trong những năm gần đây các mỏ than vùng Quảng Ninh đã áp dụng hệ thống khai thác (HTKT) với góc nghiêng bờ công tác lớn. Với HTKT này cho phép điều hòa hệ số bóc đất đá trong từng giai đoạn khai thác và tăng tốc độ đào sâu đáy mỏ dẫn tới sản lượng than khai thác hàng năm tăng đáng kể. Song song với sự tiến bộ của kỹ thuật khai thác, các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh đã sử dụng đa dạng các thiết bị cộng nghệ lớn, hiện đại, đặc biệt là thiết bị xúc bốc: như máy xúc điện loại EKG- 4, EKG- 5, EKG- 6, EKG- 8, EKG- 10... máy xúc thủy lực gầu ngược dung tích gầu xúc từ 3 đến 12 m3[8]. 1.1. Khi sử dụng HTKT có góc nghiêng bờ công tác lớn thì các thông số HTKT sẽ thay đổi theo, đặc biệt là chiều rộng mặt tầng công tác Chiều rộng mặt tầng công tác tỷ lệ nghịch với góc nghiêng bờ công tác. Do vậy khi chiều rộng mặt tầng thay đối thì chiều rộng đống đá nổ mìn cũng phải điều chỉnh để phù hợp với chiều rộng mặt tầng, đảm bảo cho đất đá tơi sau khi nổ mìn không văng xuống tầng dưới hoặc làm trượt lở mép tầng gây mất an toàn cho người và thiết bị trong quá trình sản xuất, nhất là các tầng ở phía dưới [6]. Hình 1 mô tả sự thay đổi chiều rộng mặt tầng khi thay đổi góc nghiêng bờ công tác. Chiều rộng mặt tầng phụ thuộc vào chiều cao tầng, góc nghiêng bờ công tác, góc nghiên sườn tầng được xác định theo công thức 1. B = tg H - Hcotg , m (1) Trong đó: B: chiều rộng mặt tầng công tác,m H: chiều cao tâng,m  : Góc nghiêng bờ công tác,  : Góc nghiêng sườn tầng, độ Hình 1. Chiều rộng mặt tầng phụ thuộc vào góc nghiêng bờ công tác. 1.2. Đối với máy xúc Năng suất của máy xúc phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó có chiều rộng của đống đá sau khi nổ mìn (công thức 2). Qmx = f (Bn) (2) ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 15 Khi các hệ số như: hệ số nở rời của đất đá, hệ số xúc đầy gầu, độ đồng đều của cục đá ... là không đối thì năng suất lớn nhất của máy xúc đạt được khi xúc đống đá tơi có chiều rộng đống đá hợp lý (Hình 2). Hình 2. Năng suất máy xúc phụ thuộc vào chiều rộng đống đá nổ mìn a- năng suất máy xúc EKG - 10 b- năng suất máy xúc EKG - 8 c - năng suất máy xúc EKG - 6 Qua biểu đồ mối quan hệ giữa năng suất của máy xúc và chiều rộng của đống đá nổ mìn ta nhận thấy: Khi chiều rộng của đống đá nổ mìn tăng thì năng suất ca của máy xúc tăng đến giá trị lớn nhất ứng với vị trí của chiều rộng Bnta, Bntb, Bntc. Nhưng sau đó năng suất của máy xúc giảm khi chiều rộng đống đá tăng do khi đó các thông số làm việc của máy xúc đã vượt qua các thông số công nghệ làm việc có hiệu quả nhất đối với đống đá nổ mìn. 2. CHIỀU RỘNG YÊU CẦU CỦA ĐỐNG ĐÁ 2.1. Chiều rộng yêu cầu của đống đá phù hợp với chiều rộng mặt tầng công tác khi sử dụng HTKT có góc nghiêng bờ công tác lớn Để đảm bảo an toàn không cho đất đá tơi sau khi nổ mìn trượt lở xuống tầng dưới thì chiều rộng đống đá tơi sau khi nổ phải đảm bảo (công thức 3): Bnt = Bmin - C; m (3) Trong đó: Bn t-Chiều rộng đống đá nổ mìn, m Bmin: Chiều rộng mặt tầng công tác tối thiểu, m C: Khoảng cách an toàn mép tầng, m 2.2. Chiều rộng của đống đá phù hợp với thông số làm việc của máy xúc Chiều rộng hợp lý của đống đá sau khi nổ mìn đảm bảo cho máy xúc làm việc có năng suất cao nhất khi chiều rộng đống đá bằng chiều rộng 1 luồng xúc của máy xúc hay bằng một số lần (2- 3 lần) chiều rộng một luồng xúc.Với chiều rộng đó, khi làm việc máy xúc có thời gian chu kỳ xúc là nhỏ nhất và thời gian di chuyển của máy xúc tại gương là ít nhất; do vậy thời gian thực tế xúc là lớn nhất. Bnt = k.B lx, m (4) Blx = 1,7 Rxmax, m (5) Do đó Bnt = 1,7k Rxmax, m (6) Trong đó: B lx là chiều rộng 1 luồng xúc,m Rxmax là bán kính xúc lớn nhất của máy xúc,m k là số nguyên 1,2,3... 3. CHIỀU RỘNG THỰC TẾ CỦA ĐỐNG ĐÁ TƠI SAU KHI NỔ MÌN Trong cùng điều kiện cấu trúc địa chất, địa chất công trình, khi nổ mìn cùng 1 số hàng thì chiều rộng đống đá nổ mìn phụ thuộc vào phương pháp nổ mìn vi sai hay nổ mìn đồng loạt. Khi nổ mìn đồng loạt thì hình dạng đống đá thoải và chiều rộng lớn (Hình 3a). Khi nổ mìn vi sai thì hình dạng đống đá gọn và chiều rộng đống đá nhỏ (Hình 3b). Hình 3. Sơ đồ hình dạng đống đá sau khi nổ mìn a- Đống đá thoải khi nổ mìn đồng loạt; b- Đống đá gọn khi nổ mìn vi sai ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 16 Để xác định chiều rộng đống đá thực tế trong các trường hợp trên bằng phương pháp hình học giải tích ta tiến hành so sánh thể tích khối đá nguyên trước khi nổ và khối đá sau khi nổ [3]. Nghĩa là thể tích khối đá nguyên trước khi nổ nhân với hệ số nở rời của đất đá sẽ bằng thể tích đất đá nở rời sau khi nổ (công thức 7). Vngk . Kvr = Vvr (7) 3.1. Trường hợp đống đá thoải khi nổ mìn đồng loạt Diện tích tiết diện khối đá nguyên trước khi nổ là hình bình hành được giới hạn bởi các điểm 1-2-3-4; có đáy là chiều rộng khối đá nguyên trước khi nổ Bn; chiều cao bằng chiều cao tầng H. Bn = w + ( n-1)b, m (8) Trong đó: w - Đường kháng chân tầng,m b- Khoảng cách giữa 2 hàng mìn,m n- Số hàng mìn Diện tích tiết diện khối đá tơi vụn sau khi nổ là hình 3-5-6-7, để tiện cho việc tính toán và sai số cũng nằm trong phạm vi cho phép thì diện tích tiết diện đống đá tơi sau khi nổ gần bằng diện tích hình thang 3-5-6-7, có đáy lớn là bằng chiều rộng đống đá tơi Bnt2 và đáy nhỏ bằng một phần hai chiều rộng khối đá nguyên 2 1 Bn. Bnt2 = w + (n-1)b + x1 ,m (9) Trong đó: x1- Là phần xoải thêm của của đống đá, m Chiều cao hình thang bằng chiều cao đống đá tơi vụn h h = Hxmax, m (10) Hxmax là chiều cao xúc lớn nhất của máy xúc, m - Khối lượng đất đá nguyên khối trước khi nổ được tính: Vngk = S1-2-3-4 . Ln, m3 (11) Vngk = Bn .H .Ln, m3 (12) - Khối lượng đất đá tơi vụn sau khi nổ được tính: Vvr = S3-4--5-6 . Ln , m3 (13) Vvr = mL x n h B b 31 , 22 2               (14) Căn cứ vào (7) ta có: Bn .H .Ln . Kvr =Vvr = mL x n h B b 31 , 22 2               (15) Biến đỏi ta tìm được X1 : X1 = m h H BKB nvrn ),2 3 2(  (16) Chiều rộng đống đá tơi xoải Bnt1 được tính: Bnt1 = Bn + X1 , m (17) m h H KBB vrnnt ),2 1 .2( 1  (18) 3.2. Trường hợp nổ mìn vi sai, đống đá tơi gọn Diện tích tiết diện khối đất đá nguyên trước khi nổ mìn là hình 1-2-3-4 giống như trường hợp (7). Diện tích tiết diện khối đá tơi sau khi nổ mìn là: 3-8-9-10. Để đơn giản trong tính toán và sai số vẫn nằm trong phạm vi cho phép ta coi hình đó là hình thang có dáy nhỏ bằng chiều rộng khối đá nguyên trước khi nổ Bn Bn = w + (n - 1).b; m. Đáy lớn là chiều rộng đống đá tơi vụn sau nổ mìn Bnt2 Bnt2 = w + ( n - 1) b + X2 , m (19) Chiều cao đống đá tơi là h - Khối lượng đất đá nguyên khối trước khi nổ được tính như công thức (12). - Khối lượng đất đá tơi sau khi nổ được tính: Vvr = S3-8-9-10 . Ln , m (20) mhB X V nvr ,2 2  (21) Ta có cân bằng phương trình: hB X n  2 2 = Kvr Bn h; (22) Giải được: m h H KBX vrn ,)1(22  (23) Chiều rộng đống đá tơi vụn được tính: Bnt2 = X2 + Bn (24) m h H BKBB nvrnnt ,)1(22  (25) m h H KBB vrnnt ),1(2  (26) 4. ĐIỀU CHỈNH CHIỀU RỘNG ĐỐNG ĐÁ NỔ MÌN PHÙ HỢP VỚI CHIỀU RỘNG MẶT TẦNG VÀ KÍCH THƯỚC LÀM VIỆC CỦA MÁY XÚC 4.1. Phương pháp giải tích 4.1.1. Phù hợp với chiều rộng mặt tầng công tác khi sử dụng HTKT góc nghiêng bờ công tác lớn Qua phương pháp giải trình và tính toán trên, việc điều chỉnh chiều rộng đống đá tơi vụn là đi xác định chiều rộng khối đá nguyên trước khi nổ mìn (trong khai thác mỏ còn gọi là giải ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 17 khấu) từ đó ta xác định được khoảng cách giữ hai hàng lỗ mìn. a. Trường hợp khi nổ mìn đồng loạt đống đá tơi thoải. - Chiều rộng đống đá yêu cầu tính theo công thức (3) - Chiều rộng đống đá thực tế sau khi nổ mìn công thức (7). Ta có phương trình: Bmin - C = Bn( 2 1 2  h H K vr ), (27) Bn = m h H C K B vr , 2 1 2 min   (28) - Từ (8) ta tìm được khoảng cách giữa hai hàng lỗ mìn b. b = m nw Bn , )1(  (29) b =   m nw h H C K B vr , )1() 2 1 2( min   (30) b. Khi nổ mìn vi sai chiều rộng đống đá tơi gọn. Ta có phương trình: Bmin - C = Bn ( 2 )1 h H K vr , m (31) Bn = 12 min   h H C K B vr , m (32) Từ (8) và (30) ta tìm được khoảng cách giữa hai hàng mìn b: b =  )1()12( min   nw h H C K B vr , m (33) 4.1.2. Phù hợp với thông số làm việc của máy xúc Sử dụng cách tính tương tự ta xác định được chiều rộng khối đá nguyên khối và khoảng cách giữa hai hàng mìn trong các trường hợp sau: a. Khi nổ mìn đồng loạt, đống đá tơi thoải Bn = m h H K K R vr X , 2 1 2 7,1 max  (34) b =   m nW h H K K R vr X , )1() 2 1 2( 7,1 max  (35) b. Khi nổ mìn vi sai, đống đá tơi gọn. Bn = m h H K K R vr Xmac , )12( 7,1  (36) b =   m nw h H K k R vr Xmã , )1()12( 7,1  (37) 4.2. Phương pháp đồ thị Để việc xác định chiều rộng block nổ mìn phù hợp một cách nhanh chóng, ta xây dựng đồ thị như sau: Ta vẽ đồ thị liên hợp, một bên thể hiện mối liên hệ giữa chiều rộng đống đá tơi Bnt với chiều rộng khối đá nguyên khối trong một đợt nổ khi nổ 1,2,3, ... hàng mìn theo hàm số (18) khi nổ mìn đồng loạt và (26) khi nổ mìn vi sai với đối số là Bn. Một bên thể hiện mối liên hệ giữa chiều rộng đống đá tơi Bnt với bán kính xúc lớn nhất của các máy xúc có trong mỏ khi máy xúc xúc 1,2,3... luồng theo hàm số ( 2- 4 ) với đối số là Rxmax. Hình 4 là đồ thị liên hợp khi nổ mìn đồng loạt để xác định chiều rộng một đợt nổ theo yêu cầu. Căn cứ vào bán kính xúc lớn nhất của máy xúc ta kẻ một đường song song với trục tung cắt các đường của hàm số (6) tại 1 điểm ta kẻ đường song song với trục hoành, cắt các đường của hàm số (18) hoặc (26) tại một điểm, ta gióng xuống trục hoành, cắt trục hoành tại một điểm, khoảng cách từ gốc tọa độ tới điểm đó chính là chiều rộng đợt nổ mìn yêu cầu ta cần tìm. Hình 4. Đồ thị xác định chiều rộng khối nổ theo yêu cầu 5. KẾT LUẬN Sự phát triển và tiến bộ của khoa học và công nghệ khai thác mỏ đòi hỏi công nghệ và kỹ thuật nổ mìn luôn phải giải quyết ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 18 những vấn đề mới phù hợp với những điiều kiện khai thác khác nhau. Trong những năm qua, công nghệ nổ mìn ở Việt nam đã phát triển mạnh mẽ cả về nghiên cứu lý thuyết tác dụng nổ và cả những phương pháp thực nghiệm nổ trong các điều kiện môi trường khác nhau. Trong bài viết các tác giả đã giải quyết vấn đề của thực tế đặt ra đối với công tác khoan nổ mìn khi các mỏ lộ thiên hiện nay đang áp dụng kỹ thuật và công nghệ là sử dụng HTKT góc nghiêng bờ công tác lớn và thiết bị xúc bốc lớn và hiện đại. Kết quả nghiên cứu xác định chiều rộng đống đá nổ mìn phù hợp với thông số làm việc của máy xúc và chiều rộng mặt tầng trên mỏ lộ thiên giải quyết những vấn đề về an toàn trong khai thác và nâng cao năng suất cho thiết bị xúc bốc nói riêng và năng suất lao động cho mỏ nói chung, góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa trong lĩnh vực khai thác mỏ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. GS.TS Nhữ Văn Bách - Nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong những điều kiện khác nhau. Hà nội, 1991; [2]. Nhữ Văn Bách - Giáo trình: Phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan nổ mìn. Hà Nội, 1990; [3]. GS.TS Nhữ Văn Bách - Nâng cao Hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ. Nhà xuất bản giao thông vận tải, Hà nội, 2003; [4]. Nguyễn Đình Ấu, Nhữ Văn Bách - Phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan nổ mìn. Nhà xuất bản Giáo dục, 1998; [5]. Hồ Sỹ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hoàng Tuấn Chung - Nổ Hóa học lý thuyết và thực tiễn; [6]. Cẩm nang công nghệ và thiết bị mỏ( Quyển 1 KTLT). Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Hà nội, 2006; [7]. B.N. Kutuzov - Phá vỡ đất đá bằng khoan nổ mìn. Mockva, Nhedra, 1973; [8]. TS. Trần Xuân Hòa, TS Nguyễn Anh Tuấn- Đổi mới công nghệ khai thác, tuyển chế biến nhằm phát triển bền vững ngành than - khoáng sản, Thông tin Khoa học Công nghệ mỏ số 1- 2012.