Nghiên cứu thực nghiệm diễn biến dịch chuyển đá vách và áp lực mỏ trong khu vực lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày trung bình dốc thoải và nghiêng tại Công ty than Quang Hanh

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 70 Nghiên cứu thực nghiệm diễn biến dịch chuyển đá vách và áp lực mỏ trong khu vực lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày trung bình dốc thoải và nghiêng tại Công ty than Quang Hanh Phạm Đức Thang1,*, Nguyễn Văn Thanh2, Nguyễn Văn Thái2 1Phòng KHCN&QHQT - Trường ĐHCN Quảng Ninh 2Công ty Cổ phần than Hà Lầm * Email: phamducthangmct@gmail.com Mobile: 0987302934 Tóm tắt Từ khóa: Dịch chuyển; Dịch chuyển đá vách; Áp lực mỏ; Nghiên cứu thực nghiệm; Phân bố áp lực. Bài báo phân tích được vai trò của công tác nghiên cứu thực nghiệm trong quá trình khai thác mỏ. Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm diễn biến quá trình dịch chuyển đá vách trên các đường lò song song chân khu vực lò chợ cơ giới hóa và áp lực mỏ tác động lên vì chống lò chuẩn bị, lò chợ. Từ kết quả thống kê đo đạc thực tế hiện trường khai thác đã phân tích đánh giá mức độ dịch chuyển và ảnh hưởng áp lực mỏ trong khu vực lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày trung bình dốc thoải và nghiêng tại Công ty than Quang Hanh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu thực nghiệm mỏ là một trong những phương pháp cơ bản để có được dữ liệu khoa học từ thực tế sản xuất. Chúng dựa trên các kết quả được đo và phân tích từ thực nghiệm sản xuất và được thiết lập một cách khoa học trong các điều kiện thực tế cho phép để theo dõi và điều khiển quá trình sản xuất. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là kiểm nghiệm các giả định lý thuyết, cũng như nghiên cứu sâu rộng hơn về đối tượng cần nghiên cứu [1, 2, 3, 4, 5]. Quan sát và đo đạc thực địa đóng vai trò rất quan trọng trong khoa học khai thác mỏ.Trong khai thác mỏ hầm lò có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khai thác đó là sự đa dạng và biến thiên lớn của điều kiện địa chất và khai thác, và sự khác biệt trong phương thức tiến hành và các tham số của quá trình khai thác mỏ [6, 7]. Ngoài ra, quá trình khai thác không ngừng phát triển, thay đổi theo không gian và thời gian. Do đó, mặc dù nghiên cứu thực nghiệm rất tốn thời gian và phức tạp, nhưng chúng lại phản ánh đúng được hiện trường và thực tế quá trình sản xuất, ngoài ra nếu không có chúng không thể xác định các tham số cơ bản của các quá trình nghiên cứu và đặt chính xác các nhiệm vụ cho nghiên cứu phân tích và mô hình hóa trong phòng thí nghiệm. 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐO DỊCH CHUYỂN ĐÁ VÁCH VÀ ÁP LỰC MỎ Hiện nay, có một số phương pháp đo dịch chuyển đá vách được áp dụng như: đo dịch chuyển bằng máy trắc địa, đo dịch chuyển bằng chỉ thị mầu, đo dịch chuyển bằng nguyên lý từ tính (Geokol). Phương pháp đo bằng chỉ thị mầu và máy trắc địa hiện đang được áp dụng phổ biến tại Việt Nam với nhiều ưu điểm như: giá thành thấp, dễ thi công, theo dõi và lấy số liệu đơn giản, độ chính xác cao.v.v. Trong hai phương pháp trên, phương pháp đo bằng chỉ thị mầu phức tạp hơn so với phương pháp đo bằng máy trắc địa, do phương pháp đo bằng chỉ thị mầu cần phải khoan các lỗ khoan sâu vào vách vỉa than từ 5  6 m để quan trắc dịch động của đất đá, số lượng mốc quan trắc phải xây dựng nhiều, yêu cầu máy khoan phải thuộc loại đặc chủng, đi kèm với đó là chi phí thi công lớn. Trên cơ sở đó chọn phương pháp đo dịch động bằng máy trắc địa để đo dịch động đá vách tại khu vực khai thác lò chợ cơ giới hóa tại Công ty than Quang Hanh. Việc đo áp lực mỏ cũng có nhiều phương pháp đo. Tại Việt Nam thường sử dụng đồng hồ đo tự ghi làm việc theo nguyên lý cơ học, loại ADJ của Trung Quốc. Phương pháp này có ưu điểm là giá thành rẻ, có khả năng lưu trữ dữ liệu trong khoảng thời gian lớn, nhưng có một số nhược điểm như: thi công lắp đặt khó khăn, số liệu sai số lớn. Thời gian gần đây, tại một số mỏ đã sử dụng đồng hồ điện tử tự nghi LEO Record để đo, theo dõi áp lực trong lò chợ. Thiết bị đo ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 71 này có ưu điểm là số liệu được theo dõi liên tục trong thời gian dài và sai số đo không lớn. Trên cơ sở các phân tích trên, chọn và sử dụng đồng hồ điện tử LEO Record để theo dõi diễn biến áp lực mỏ trong lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày trung bình dốc thoải và nghiêng tại Công ty than Quang Hanh. 3. BỐ TRÍ THIẾT BỊ VÀ TRẠM ĐO Công tác đo đạc dịch động được tiến hành tại lò song song chân chợ. Dọc theo lò song song chân thiết lập 9 trạm quan trắc (ký hiệu từ TĐ1 ÷ TĐ9 theo hướng từ gương lò chợ ra ngoài theo hướng khấu), khoảng cách giữa các trạm là 15 vì chống (bước chống 0,7m, tương đương 9,8m). Trong đó, trạm đầu tiên TĐ1 cách gương lò chợ 08 vì (tương đương 4,9m). Nhiệm vụ của tuyến quan trắc là đo đạc các biến dạng về chiều cao, chiều rộng của đường lò (vì chống), từ đó xây dựng nên quy luật diễn biến dịch động do của áp lực do khối than và đất đá vách, trụ vỉa than tác động lên vì chống. Trên một vì chống các mốc đo bao gồm 2 mốc ở 2 đầu cột (sát dưới xà), 2 mốc ở hai chân cột sát với nền lò. Các mốc được đánh dấu trực tiếp lên vì chống bằng sơn sáng màu. Vị trí các mốc đo trên 1 vì chống được thể hiện trên hình 1. b B h b1b2 B1B2 Hình 1. Sơ đồ bố trí các vị trí đo dịch động trên một vì chống Công tác quan trắc, đo đạc dịch động được thực hiện hàng ngày tại các trạm quan trắc nêu trên bao gồm đo chiều cao từ nóc lò đến nền lò (h), chiều rộng nền lò (B) và chiều rộng nóc lò (b). Sơ đồ bố trí các trạm đo dịch động xem hình 2. Trên cơ sở số liệu đo đạc thực tế, các giá trị h, b, k được tính toán trung bình cộng, từ đó tính diện tích tiết diện lò tương ứng từng thời điểm đo, so sánh với tiết diện ban đầu sẽ xác định được tương đối mức độ biến dạng đường lò theo diện tích và theo thời gian. 421200 421300 421400 421500 2327 000 2327 000 2327 100 2327 100 421200 421300 421400 421500 C T 13 -16 6.47 C T 1 7 -1 6 6 .1 4 C T 1 8 -1 6 6 .2 1 CT1 D2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 50° - - - f .k t 1 f .k t C T 1 4 -1 6 6 .3 C T 1 6 -1 6 6 .3 C G -1 6 6 .1 1 C T 1 9 -1 6 6 .1 3 -154.59 -139.79 -126.79 T1 T 6 D3 CT3 Q TQ TQ T 6 Q T 5 Hình 2. Sơ đồ bố trí các trạm đo trong lò song song chân Trạm đo áp lực mỏ tại lò dọc vỉa vận tải được đặt tiến trước và cách gương lò chợ 20m theo phương. Đồng hồ đo áp lực điện tử tự ghi kỹ thuật số LEO Record được lắp trực tiếp lên van cấp dịch cột thủy lực đơn DZ-22 chống lên vì lò chuẩn bị tại vị trí đảm bảo an toàn cho người đi lại và làm việc thuận lợi (hình 3). Sau khi lò chợ khấu tới vị trí điểm đo đầu tiên, tiến hành di chuyển đồng hồ tới vị trí thứ hai cách vị trí trước 20m. Hình 3. Sơ đồ bố trí đồng hồ đo áp lực trong lò chuẩn bị Việc đo đạc, quan trắc áp lực mỏ trong lò chợ cơ giới hóa được thực hiện bằng các đồng hồ đo áp lực tức thời (hình 4) gắn sẵn tại các dàn chống theo khoảng cách 5 dàn/1 trạm tương đương 7,5m/1 trạm đo. Theo đó, trong lò chợ bố trí 11 điểm đo từ 1 - 11 tại các dàn chống tương ứng theo chiều từ dưới lên trên là dàn số 1, 6, 11, 16, 21, 26, 31, 36, 41, 46, 51. Số liệu áp lực được quán sát, ghi chép hàng ca sau khi dàn chống đã di chuyển sang luồng mới và chống giữ ổn định. Sơ đồ bố trí trạm đo trong lò chợ cơ giới hóa bằng tổ hợp thiết bị máy khấu than MG132/320- W và giàn chống ZQY -3600/12/28 được thể hiện trên hình 5. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 72 Hình 4. Đồng hồ đo áp lực tức thời Hình 5. Sơ đồ bố trí trạm đo trong lò chợ 4. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM Kết quả đo dịch chuyển tại lò song song chân khu vực lò chợ cơ giới hóa được thể hiện trên các hình 6, hình 7, hình 8. Hình 6. Biểu đồ dịch chuyển chiều cao đường lò theo khoảng cách tới gương lò chợ Hình 7. Biểu đồ dịch chuyển chiều rộng đường lò theo khoảng cách tới gương lò chợ Hình 8. Biểu đồ dịch chuyển diện tích đường lò theo khoảng cách tới gương lò chợ Kết quả đo đạc dịch chuyển thể hiện trên hình 6, hình 7 cho thấy: Tốc độ dịch chuyển trên lò song song chân tăng dần khi khoảng cách từ vị trí đặt trạm đo đến gương lò chợ giảm dần, giá trị này tăng chậm khi gương lò cách xa trạm đo > 25m và tăng rất nhanh khi khoảng cách đến gương lò chợ giảm còn từ 0  10m. Giá trị dịch động lớn nhất theo chiều cao và chiều rộng lò song song chân chợ TT-6-1 khu vực lò chợ cơ giới hóa lần lượt là 40 và 35 mm. Các giá trị này về cơ bản không gây khó khăn cho quá trình thông gió, vận chuyển thiết bị, vật liệu cũng như vật tải than trong thời gian khai thác lò chợ. Kết quả đo đạc áp lực mỏ tác động lên vì chống lò chuẩn bị bằng đồng hồ tự ghi được thể hiện trên hình 9. Hình 9. Giá trị áp lực mỏ tại lò song song chân Tương tự như công tác theo dõi, quan trắc áp lực mỏ trong lò chợ, việc theo dõi áp lực mỏ tại lò chuẩn bị được thực hiện hàng ca, từ thời điểm lò chợ bắt đầu hoạt động cho tới khi kết thúc quá trình khai thác thử nghiệm. Kết quả quan trắc áp lực mỏ cho thấy, áp lực khu vực gần ngã ba giữa lò song song chân và gương lò chợ nhỏ, trung bình khoảng 9 tấn/vì. Tại vị trí cách gương lò chợ từ 5÷7m áp lực tăng dần và đạt giá trị lớn nhất khoảng 17÷21 tấn, sau đó giảm dần khi càng cách xa gương khai thác. Các kết quả giá trị áp lực này vẫn nhỏ hơn giới hạn chống giữ của vì chống các đường lò chuẩn bị. Phân tích chi tiết diễn biến phân bố áp lực mỏ lên dàn chống số 31 chỉ ra rằng, tải trọng đất đá tác động lên dàn chống tăng dần theo tiến độ của gương khai thác từ 150 tấn/dàn tại thượng khởi điểm (ngày 18/12) lên lớn nhất tới 240 tấn/dàn (ngày 23/12, khi lò chợ đã khai thác ra khỏi thân thượng khởi điểm) với chiều dài theo phương đã khai thác là 9,5m, sau đó áp lực tác động lên dàn giảm xuống còn 148 tấn, sau đó duy trì và gia tăng nhẹ khoảng 153 tấn/dàn vào ngày ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 73 hôm sau (25/12). Qua đo có thể nhận định, khi áp lực mỏ tác động lên dàn chống ở giá trị 240 tấn/dàn chính là thời điểm vách trực tiếp đã đạt đến chiều dài của bước gãy ban đầu. Giá trị này nhỏ hơn tính toán (khoảng 11÷12m), nguyên nhân là do sau khi lắp đặt toàn bộ dàn chống và các thiết bị trong lò chợ, để tạo thuận lợi cho sự sập đổ ban đầu của đá vách và tăng mức độ an toàn, phân xưởng đã tiến hành khoan một hàng lỗ mìn phía đuôi dàn để cắt sơ bộ đá vách. Kết quả diễn biến áp lực tác động lên dàn số 31 phù hợp với diễn biến sập đổ của đá vách phía sau luồng phá hỏa tính từ thượng khởi điểm đến vị trí đá vách sập đổ chèn kín khoảng không đã khai thác vào ngày 23/12 và diễn biến áp lực ổn định lên dàn từ ngày 24÷25/12. Hình 10 trình bày diến biến tải trọng tác dụng lên dàn chống số 31 từ thượng khởi điểm đến vị trí 15,2m khai thác theo phương (ngày 25/12). Sau thời điểm vách trực tiếp gãy, áp lực mỏ phân bố dọc theo hướng dốc lò chợ phân bố đồng đều hơn và dao động từ 147165 tấn/dàn. Giá trị này thấp hơn khả năng chống giữ của dàn chống ZQY -3600/12/28 (360 tấn/dàn), lò chợ hoạt động ổn định, cột chống và các chi tiết thủy lực của dàn không bị rò rỉ dung dịch, đảm bảo yêu cầu chống giữ. Hình 11, hình 12 mô tả sự phân bố áp lực lên các dàn chống dọc tuyến gương lò chợ ở đầu chu kì sập đổ đá vách và cuối chu kì sập đổ đá vách. Hình 10. Biểu đồ áp lực mỏ tác động lên dàn chống số 31 theo phương Hình 11. Phân bố áp lực lên các dàn chống dọc tuyến gương lò chợ đầu chu kì sập đổ đá vách Hình 12. Phân bố áp lực lên các dàn chống dọc tuyến gương lò chợ cuối chu kì sập đổ đá vách Diễn biến áp lực mỏ tác động lên dàn chống trong quá trình khai thác thử nghiệm được thống kê và phân tích theo hình 13. Kết quả đo đạc áp lực mỏ tác động lên dàn chống lò chợ trong quá trình áp dụng thử nghiệm cho thấy: Sau khi lắp đặt xong dàn chống trong lò chợ và tiến hành khai thác, áp lực tác dụng lên dàn chống tăng dần. Điều này là do trong quá trình khai thác, sau khi di chuyển dàn sang luồng mới, đá vách bắt đầu lộ trần theo phương, mỏi và tỳ lên nóc dàn, theo phương khai thác càng dài, khoảng cách lộ trần càng lớn dẫn đến áp lực mỏ tác động lên các dàn chống cũng gia tăng dần mặc dù không đều nhưng tỷ lệ thuận với chiều dài theo phương khai thác được của lò chợ. 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở đo đạc, quan trắc và phân tích thực nghiệm, bài báo đã đánh giá được mức độ biến dang theo chiều rộng, chiều cao và diện tích của đá vách trên đường lò song song chân khu vực lò chợ cơ giới hóa. Tốc độ dịch chuyển mạnh nhất ở khoảng cách từ 0 -10 m đến gương lò chợ khai thác, giá trị này tăng chậm khi gương lò cách xa trạm đo đặt tại các đường lò song song khi lớn hơn 25m. Giá trị áp lực mỏ đo được tại lò chuẩn bị, lò chợ tại các vị trí cách gương lò chợ từ 5÷7m áp lực tăng dần và đạt giá trị lớn nhất khoảng 17÷21 tấn, sau đó giảm dần khi càng cách xa gương khai thác. Giá trị áp lực này đều nhỏ hơn giới hạn chống giữ của vì chống các đường lò chuẩn bị. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 74 Giá trị áp lực mỏ trên các vì chống lò chợ cơ giới hóa ở thời điểm lớn nhất là 240 tấn / dàn. Giá trị này nhỏ hơn khả năng chống giữ của dàn chống ZQY -3600/12/28 (360 tấn/dàn), do vậy lò chợ hoạt động ổn định. Các giá trị phân tích về dịch chuyển và áp lực mỏ trong khu vực lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày trung bình dốc thoải và nghiêng tại Công ty than Quang Hanh về cơ bản phù hợp với những nghiên cứu lý thuyết và các giả thuyết trước đó. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chen Chong, Yao Enguang, Zhang Zhe (2013), “Actual measurement and analysis on behavior rule of pressure of fully- mechanized working face in thin coal seam,” Zhongzhou Coal, Vol. 1, pp. 4-7 [2]. Terentev B.D, Melnik V.V (2016), “Geomechanical substantiation of underground mining works,” Moscow, p.258 [3]. G. Symanovych and K. Ganushevych (2010), “New techniques and technologies in Mining,” Taylor & Francis, London. [4]. Wang Lujun, Zhu Weibing, Xu Jialin, et al (2013), “Study on mine strata pressure behavior law of coal mining face in ultra seam with shallow depth,” Coal Science and Technology, Vol. 41, pp.3-8 [5]. Pham Duc Thang, Hoang Hung Thang, Le Quang Phuc (2019), “Technological solutions for intensive working of medium thick inclined coal seams in difficult conditions in the mines of the quang ninh coal basin,” Sustainable development of mountain territories, Vol.11, pp.105-110 [6]. Đào Hồng Quảng, Lê Đức Nguyên, Đinh Văn Cường (2015), “Đánh giá kết quả triển khai áp dụng cơ giới hóa khai thác than hầm lò và một số định huwngs phát triển trong thời gian tới,” Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam, Hà Nội. [7]. Đào Tuấn Anh (2019), “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác lò chợ cơ giới hóa bằng giàn chống ZQY -3600/12/28 với máy khấu than MG132/320-W tại Công ty than Quang Hanh,” Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật.