Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật công nghệ khai thác các vỉa than mỏng nhằm tiết kiệm tài nguyên

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 46 Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật công nghệ khai thác các vỉa than mỏng nhằm tiết kiệm tài nguyên Khương Phúc Lợi1*, Trần Văn Duyệt1, Lã Văn Hùng2 1Khoa Mỏ và Công trình,Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh 2Công ty Cổ phần Than Mông Dương, Vinacomin * Email: phucloicqn@gmail.com Mobile: 0904.872.428 Tóm tắt Từ khóa: Công nghệ khai thác; Cơ giới hóa; Kỹ thuật công nghệ; Vỉa than mỏng; Sản lượng khai thác than ở Việt Nam ngày càng tăng cao, đồng nghĩa với việc tài nguyên than ngày càng giảm. Nhằm tiết kiệm tài nguyên, hiện nay các vỉa mỏng đang được các đơn vị khai thác than của Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam -TKV quy hoạch, huy động vào khai thác, tuy nhiên tỷ lệ sản lượng khai thác từ các vỉa mỏng vẫn còn thấp, công nghệ khai thác chủ yếu là thủ công, bán cơ giới hóa. Bài báo nêu ra mối tương quan giữa chiều dày và góc dốc của vỉa than, thống kê, đánh giá lại một số công nghệ khai thác vỉa mỏng đã sử dụng và nghiên cứu một số công nghệ khai thác tiên tiến hiện nay như: Công nghệ khai thác cột dài theo hướng dốc áp dụng cơ giới hóa bằng máy bào than kết hợp dàn chống tự hành, điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần, công nghệ cơ giới khóa khấu than bằng máy bào, chống giữ bằng cột thủy lực đơn hoặc dàn chống tự hành, công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu bằng khoan nổ mìn, chống lò bằng giá khung thủy lực di động điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần 1. MỞ ĐẦU Trong những năm qua, sản lượng than khai thác của tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) tăng trưởng với tốc độ nhanh nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển của đất nước. Một trong những yếu tố quan trọng góp phần vào kết quả tăng trưởng là việc triển khai, áp dụng rộng rãi các giải pháp, tiến bộ khoa học công nghệ trong khai thác than hầm lò. Nhìn chung, tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh hiện nay, các công nghệ khai thác đang áp dụng cho điều kiện vỉa dày, góc dốc bất kỳ và vỉa có chiều dày trung bình, dốc đến 450, cơ bản đáp ứng được yêu cầu về sản lượng, mức độ an toàn và hiệu quả sản xuất. Phần trữ lượng than có điều kiện như trên chiếm tỷ trọng lớn và được huy động khai thác tối đa. Trong khi đó, đối với điều kiện vỉa mỏng, đặc biệt vỉa mỏng dốc, nhiều mỏ chưa huy động phần tài nguyên này vào khai thác hoặc có huy động nhưng hiệu quả khai thác thấp. Nguyên nhân chủ yếu là do điều kiện địa chất phức tạp, hiệu quả khai thác không cao (so với các vỉa dày) và đặc biệt chưa lựa chọn được công nghệ khai thác phù hợp. Trong điều kiện trữ lượng tài nguyên đã chuẩn bị có hạn, phần tài nguyên mức sâu chưa được chuẩn bị kịp và than là tài nguyên không tái tạo, cần thiết phải huy động trữ lượng các vỉa mỏng vào khai thác nhằm đáp ứng yêu cầu tăng sản lượng, hiệu quả và giảm tổn thất tài nguyên. Hiện nay khoáng sàng các vỉa than có chiều dày mỏng tập trung tại 9 mỏ vùng Quảng Ninh gồm: Mạo Khê, Tràng Khê, Hồng Thái, Than Thùng - Yên Tử, Vàng Danh, Suối Lại, Hòn Gai, Ngã Hai, Khe Tam và Mông Dương với tổng trữ lượng có thể huy động vào khai thác khoảng 135.923 nghìn tấn. Trữ lượng vỉa mỏng được đánh giá, phân loại theo các phạm vi chiều dày và góc dốc được thể hiện trên hình 1. Như vậy, các khu vực vỉa có chiều dày từ 1,212,0 m, góc dốc từ 190350 và chiều dày từ 1,212,0 m, góc dốc từ 360550 chiếm tỷ lệ chủ yếu. Đây là các khu vực cần được ưu tiên xem xét, nghiên cứu khai thác vì có trữ lượng lớn, có thể khai thác hiệu quả và trong điều kiện hiện nay, việc lựa chọn công nghệ và thiết bị khai thác phù hợp cũng dễ thực hiện hơn. Ngoài yếu tố chiều dày và góc dốc vỉa, điều kiện đá vách, đá trụ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ khai thác. Các kết quả phân tích, đánh giá cho thấy, các khu vực vỉa mỏng vùng Quảng Ninh phần lớn có đá vách trực tiếp là sét kết, sét than pha lẫn bột kết, thuộc loại không ổn định, chiếm khoảng 77,40%; vách cơ bản chủ yếu thuộc loại sập đổ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 47 trung bình, chiếm khoảng 78,97% và đá trụ vỉa chủ yếu thuộc loại không bền vững chiếm 71,93 % tổng trữ lượng đánh giá. Hình 1. Mối tương quan giữa chiều dày, góc dốc vỉa với tổng trữ lượng vỉa mỏng 2. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA MỎNG TRUYỀN THỐNG Trước đây, để khai thác các vỉa mỏng có chiều dày vỉa từ 1,42,0m các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh chủ yếu áp dụng các sơ đồ công nghệ sau: 2.1 Công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu gương bằng khoan nổ mìn, chống giữ bằng cột thủy lực đơn - xà khớp hoặc chống bằng gỗ, điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần Công nghệ này được áp dụng tại một số mỏ như: Dương Huy, Mạo Khê, Quang Hanh... cho điều kiện các vỉa có góc dốc đến 350. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản của công nghệ đạt được như sau: sản lượng khai thác khoảng 40.00080.000 tấn/năm; năng suất lao động đạt 2,23,5 tấn/công.ca. Tuy nhiên, khi chiều dày vỉa giảm, còn khoảng 1,41,5m, việc thao tác, đi lại trong lò chợ tương đối khó khăn, ảnh hưởng đến năng suất lao động, an toàn và trong một số trường hợp phải cắt vào đá (vách hoặc trụ) để đảm bảo không gian làm việc. 2.2 Công nghệ khai thác lò dọc vỉa phân tầng và đào lò lấy than Công nghệ này được áp dụng tại nhiều mỏ cho điều kiện các vỉa mỏng, dốc trên 450, thuộc các khu vực khai thác tận thu, có điều kiện địa chất phức tạp, khoáng sàng nhỏ, phân cắt, không tập trung trữ lượng với nhiều nhược điểm như: sản lượng khai thác thấp, thường đạt 1.0002.000 tấn/tháng, tổn thất tài nguyên lớn, có thể lên tới 6070%. 2.3 Công nghệ khai thác cột dài theo phương, gương lò chợ bậc chân khay, khấu bằng khoan nổ mìn, chống giữ bằng cột thủy lực đơn – xà khớp, điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần (hình 2) Công nghệ này đã được áp dụng tại vỉa 24 mức + 200  + 280 - khu Tràng Khê Công ty than Hồng Thái cho điều kiện vỉa mỏng dốc đến 450. Trong công nghệ này, các khay khấu có chiều dài 6  8m, khay trên tiến trước khay dưới, cột thủy lực chống giữ gương khai thác được bổ sung kết cấu giằng liên kết và trải lưới thép nóc lò. Quá trình khai thác thử nghiệm đã cho kết quả tốt: nâng sản lượng khai thác lên gấp hơn 2 lần so với công nghệ chống gỗ trước kia, từ 60.00080.000 tấn/năm lên đến 120.000140.000 tấn/năm; năng suất lao động đạt 3,4 tấn/công. Mặc dù đã nâng cao được hiệu quả sản xuất, song công nghệ vẫn chưa khắc phục được độ dốc làm việc cho người và vì chống, do đó, để nâng cao mức độ an toàn, Công ty than Hồng Thái đã thay thế công nghệ này bằng công nghệ cột dài theo phương, gương lò chợ thẳng, chống bằng giá khung di động. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 48 2 1 0 0 100010001400 1000350 1000 mÆt c¾t d - d L-íi ng¨n ®Êt ®¸ ph¸ ho¶ mÆt c¾t c - c L-íi ng¨n ®Êt ®¸ ph¸ ho¶ 2 1 0 0 Lß däc vØa th«ng giã Cét thuû lùc ®¬n t¨ng c-êng C-îc ng¨n ®Êt ®¸ ph¸ ho¶ A A Lß däc vØa vËn t¶i trung gian cc dd 8 0 0 8 0 0 6 4 0 0 6 4 0 0 4 8 0 0 5 4 .4 0 0 2 4 0 0 Hình 2. Sơ đồ công nghệ khai thác cột dài theo phương lò chợ bậc chân 3. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN ÁP DỤNG KHAI THÁC VỈA THAN MỎNG 3.1 Công nghệ khai thác cột dài theo hướng dốc áp dụng cơ giới hóa bằng máy bào than kết hợp dàn chống tự hành, điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần Công nghệ này đã được áp dụng tại vỉa 8 khu Tây XVTBI, Cánh Bắc Công ty than Mạo Khê và vỉa 12, khu Tràng Khê II, Công ty than Hồng Thái cho điều kiện vỉa mỏng, dốc trên 450. Vỉa 8 khu Tây XVTBI, Cánh Bắc - Công ty than Mạo Khê có chiều dày vỉa trung bình 2,2 m, mức độ biến động về chiều dày vỉa m = 29,4 %; góc dốc vỉa trung bình 580, mức độ biến động về góc dốc vỉa  = 23,5%; đá vách trực tiếp là sét kết, sét than, bột kết, thuộc loại sập đổ trung bình; đá trụ là acgilít than, bột kết, ổn định trung bình. Vỉa 12, khu Tràng Khê II - Công ty than Hồng Thái có chiều dày trung bình 1,8 m; góc dốc trung bình 500; đá vách trực tiếp là sét kết, sét than, thuộc loại dễ sập đổ đến sập đổ trung bình; trụ trực tiếp là sét kết, sét than, bột kết xen kẹp cát kết bền vững. Công nghệ đã được Công ty than Mạo Khê và Công ty than Hồng Thái đưa vào áp dụng đạt sản lượng khai thác bình quân đạt 450500 tấn/ngày đêm, tương ứng 100.000125.000 tấn/năm; năng suất lao động trực tiếp đạt 810 tấn/công; tổn thất than chỉ còn khoảng 11%; mức độ an toàn và điều kiện lao động của công nhân đã được cải thiện. Thực tế áp dụng tại Công ty than Hồng Thái, Công ty than Mạo Khê cho thấy, công nghệ này có nhiều ưu điểm như: an toàn, tổn thất tài nguyên thấp, sản lượng khai thác và năng suất lao động cao hơn nhiều lần so với công nghệ khai thác lò dọc vỉa phân tầng được áp dụng trước đó. Tuy nhiên, công nghệ có nhược điểm là: yêu cầu về mức độ ổn định góc dốc, chiều dày vỉa rất cao, đá vách, đá trụ phải thuộc loại sập đổ và ổn định trung bình trở lên, trữ lượng tài nguyên phải tập trung, đủ lớn để đảm bảo hiệu quả đầu tư. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 49 a 40 60m Thuîng vËn t¶i 40 60m Lß däc vØa th«ng giã Lß däc vØa vËn t¶i 1 0 0  1 5 0 m < 1 0 0 0 6 3 0 6 3 0 Guång bµo 1ASHM 8  1 2 m Dµn chèng phô Dµn chèng chÝnh Thuîng th«ng giã a mÆt c¾t A - A 22 00 630 5 8  3480 Hình 3. Sơ đồ công nghệ khai thác cột dài theo hướng dốc áp dụng cơ giới hóa bằng máy bào than kết hợp dàn chống tự hành 3.2 Công nghệ cơ giới khóa khấu than bằng máy bào, chống giữ bằng cột thủy lực đơn hoặc dàn chống tự hành Áp dụng cho điều kiện vỉa mỏng từ 1,2 2,0m, dốc đến 350, điều kiện vỉa tương đối ổn định, trữ lượng đủ lớn, tập trung (hình 4). Việc cơ giới hóa hai khâu công nghệ chính là khấu gương và chống giữ lò trong điều kiện không gian thấp sẽ giảm số lượng người làm việc trong lò, cải thiện điều kiện làm việc và nâng cao sản lượng khai thác, năng suất lao động. Trước mắt, có thể xem xét áp dụng thử nghiệm trong điều kiện vỉa mỏng thoải tại khoáng sàng Ngã Hai - Công ty than Quang Hanh. 1 ,2 1 ,2 Dµn chèng tù hµnh M¸y bµo than A A mÆt c¾t a - a 5 5 0 - 2 0 0 0 200 Hình 4. Công nghệ cơ giới hóa khấu than bằng máy bào than kết hợp dàn chống tự hành 3.3 Công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu bằng khoan nổ mìn, chống lò bằng giá khung thủy lực di động điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần Áp dụng cho điều kiện vỉa mỏng, dốc 350 450, chiều dày và góc dốc vỉa ổn định từ trung bình trở lên (hình 5). Chiều dài lò chợ được chọn từ 60  80m. Ưu điểm của công nghệ này là: tính ổn định của vì chống cao hơn so với chống bằng cột thủy lực đơn hoặc chống gỗ, từ đó nâng cao được ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 50 mức độ an toàn trong quá trình khấu chống và đặc biệt khi điều khiển đá vách. Hình 5. Sơ đồ công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu bằng khoan nổ mìn, chống bằng giá khung thủy lực di động, điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ các vỉa than mỏng vùng Quảng Ninh tương đối phức tạp và công nghệ khai thác hiện tại nhìn chung còn nhiều hạn chế: sản lượng, năng suất lao động thấp, tổn thất tài nguyên và chi phí vật tư lớn. Trên cơ sở đó, để nâng cao hiệu quả sản xuất, mức độ an toàn lao động trong khai thác các vỉa mỏng, tác giả đề xuất một số giải pháp kỹ thuật, công nghệ mới như sau: - Nghiên cứu, đánh giá tổng thể hiện trạng điều kiện địa chất kỹ thuật khoáng sàng các vỉa mỏng vùng Quảng Ninh. Trên cơ sở đó, đề xuất, quy hoạch công nghệ khai thác phù hợp cho các phạm vi, điều kiện đặc trưng. - Công nghệ cơ giới hóa khai thác vỉa mỏng dốc sử dụng máy bào than kết hợp dàn chống tự hành, điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần áp dụng tại Công ty than Mạo Khê, Hồng Thái đã khẳng định được tính phù hợp, hiệu quả, an toàn. Trên cơ sở đó, cần thiết xem xét nhân rộng công nghệ này tại một số công ty khai thác than hầm lò khác như: Mông Dương, Hạ Long, Quang Hanh, Hòn Gai. - Xem xét áp dụng thử nghiệm công nghệ cơ giới hóa khấu than bằng máy bào, chống giữ bằng dàn chống tự hành tại một số khu vực có điều kiện thuận lợi, trữ lượng vỉa mỏng lớn và cần tăng nhanh sản lượng khai thác như: Quang Hanh, Mông Dương, Hạ Long, Hòn Gai và Tổng công ty Đông Bắc. - Ngoài ra nghiên cứu và áp dụng vì neo chất dẻo cốt thép chống giữ lò than, đồng thời áp dụng thử nghiệm các giải pháp kỹ thuật, công nghệ mới đã đề xuất ở trên để đa dạng hóa các loại hình công nghệ, thích ứng tốt với nhiều điều kiện địa chất khoáng sàng nhằm huy động tối đa tài nguyên và nâng cao hiệu quả, an toàn sản xuất./. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phùng Mạnh Đắc, Nguyễn Anh Tuấn (2004) Nghiên cứu công nghệ khai thác cho các vỉa mỏng trong các khoáng sàng mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Viện Khoa học Công nghệ Mỏ. [2]. Lê Tuấn Lộc (2008), Cẩm nang công nghệ và thiết bị mỏ, quyển 2 - khai thác mỏ hầm lò. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội . [3]. Giáo trình mở vỉa và khai thác hầm lò (2013). Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh – Quảng Ninh [4]. Giáo trình công nghệ khai thác hầm lò (2014), Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh [5] QCVN 04: 2017/BCT, Quy chuẩn quốc gia về an toàn trong khai thác quặng hầm lò.