Xu hướng phát triển công nghệ khai thác than ở độ sâu lớn

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 40 Xu hướng phát triển công nghệ khai thác than ở độ sâu lớn Tendencies of mining technology development applied to deep coal mines Nguyễn Ngọc Minh1,2*Trần Văn Duyệt1, Tạ Văn Kiên1 1Khoa Mỏ, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh 2School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha, Hunan, China * Email: minhnguyen1986vn@gmail.com Mobile: 0973671719 Tóm tắt Từ khóa: Công nghệ khai thác; khai thác hóa lỏng; khai thác sâu; khai thác thông minh Nhu cầu tiêu thụ khoáng sản than đang tăng nhanh vì vậy khai thác hầm lò tiếp tục được mở rộng đến mức sâu hơn. Tuy nhiên, khai thác ở độ sâu lớn phải đối mặt với nhiều thách thức về kỹ thuật và điều kiện khai thác trong đó có ba thách thức chính sau: vấn đề áp lực địa khối cao, vấn đề nhiệt độ cao và vấn đề chiều dài trục tải lớn. Các công nghệ đào lò và khai thác truyền thống rất khó có thể đáp ứng tính hiệu quả và an toàn trong sản xuất, vì vậy công nghệ khai thác hiện đại cần được phát triển và sử dụng. Bài viết trước tiên tóm tắt tình trạng toàn cầu hiện nay về khai thác sâu, sau đó trình bày một số thành tựu về công nghệ trong công tác đào lò cũng như giới thiệu một số công nghệ khai thác thông minh, quy trình khai thác mới đã đang và sẽ được sử dụng trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản trong tương lai. Abstract Keywords: Mining technology; fluidized mining; deep mines; smart mining. Mineral consumption is increasing rapidly, as a result, underground mining continues to progress to deeper level. However, deep mining occurs in a very technical and challenging environment. These challenges include three principal problems: high geostress problem, high temperature problem and high hoisting length problem. The traditional technologies are difficult to satisfy the construction and extraction efficiency and safety, therefor, the new modern mining technology needs to be developed and used. This review paper presents the current global status of deep mining and high-lights some of the newest technological achievements in the roadway construction and the mineral extraction processes have become important fields in future. 1. GIỚI THIỆU Ngành công nghiệp khai thác khoáng sản có lịch sử lâu đời, tài nguyên khoáng sản ở độ sâu nông dần dần cạn kiệt, khai thác hầm lò ngày càng được mở rộng và phát triển tới độ sâu lớn. Hiện tại, trên thế giới việc khai thác ở độ sâu 1000 m là phổ biến; độ sâu của các mỏ than đã đạt khoảng 1500 m, độ sâu của các mỏ kim loại màu đã đạt khoảng 4500 m, và độ sâu khai thác dầu khí đạt khoảng 7500 m. Khai thác than ở Ba Lan, Đức, Anh, Nhật Bản và Pháp đã đạt độ sâu hơn 1000 m ngay từ những năm 1980 và Trung Quốc hiện có 47 mỏ than sâu hơn 1000 m [1,2]. Đối với mỏ kim loại, theo thống kê chưa đầy đủ, đã có ít nhất 80 mỏ sâu hơn 1000 m trước năm 1996, chủ yếu nằm ở Nam Phi, Canada, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Úc, Nga và Ba Lan. Độ sâu trung bình của các mỏ kim loại ở Nam Phi đã đạt tới 2000 m và mỏ vàng Western Deep Level đã đạt hơn 4000 m [3] như trong Hình 1. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 41 Hình 1. Độ sâu khai thác của một số mỏ trên thế giới Do vậy có thể thấy khai thác xuống sâu là xu hướng của ngành công nghiệp khai khoáng trong tương lai. Ví dụ: Ngành công nghiệp khai thác tài nguyên khoáng sản trong tương lai của Trung Quốc sẽ hoàn toàn ở độ sâu cấp hai (1000 ~ 2000 m) [4]. Theo thống kê và dự đoán, trong giai đoạn kế hoạch 5 năm lần thứ 13, gần 50 mỏ kim loại sẽ mở rộng diện khai thác xuống độ sâu 1000 m và gần một nửa trong số đó sẽ chạm tới độ sâu 1500 m trong 10 đến 20 năm tới như được hiển thị trong hình 2. Hình 2. Độ sâu khai thác của một số mỏ ở Trung Quốc Khi khai thác mỏ ở môi trường có độ sâu lớn, thách thức đầu tiên phải đối mặt đó chính là vấn đề áp lực địa khối cao. Nếu các kỹ thuật và quy trình khai thác tương thích không được áp dụng trong môi trường áp suất cao, các thảm họa mỏ sẽ xảy ra và việc mở rộng quy mô sản xuất sẽ bị hạn chế, từ đó sự phát triển kinh tế của các công ty khai thác khoáng sản sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng. Một số lượng lớn các tài liệu cho thấy nhiều mỏ sâu đã gặp phải số lượng lớn các vụ nổ đá, chấn động mỏ, đất đá không ổn định với diện tích lớn, vấn đề đá rơi,, khó có thể dự đoán chính xác và phòng ngừa hiệu quả. Thứ hai, vấn đề nhiệt độ cao trong môi trường khai thác sâu, nhiệt độ tăng theo độ sâu với tỉ lệ (10 ~ 40)°C/km. Các điều kiện nhiệt độ cao khi khai thác sâu ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất lao động của các công ty khai thác, ngoài ra chi phí làm mát tăng sẽ khiến cho chi phí khai thác tăng lên. Thứ ba, chiều dài trục tải lớn, khi độ sâu khai thác tăng, chiều dài trục tải quặng và tất cả các loại vật liệu tăng lên đáng kể, làm tăng cao chi phí khai thác, ngoài ra vấn đề này còn tồn tại tiềm ẩn nhiều mối đe dọa mất an toàn đối với sản xuất. Để giải quyết các vấn đề tồn tại khi khai thác sâu thì nhiều phương pháp đã được đưa ra, trong đó phương pháp phát triển công nghệ khai thác tiên tiến nhằm giảm sức lao động thủ công, tăng hệ số an toàn cho công nhân mỏ là một phương án mang lại hiệu quả tốt. Dựa trên hiện trạng kết quả nghiên cứu và thực tế khai thác trên thế giới về khai thác sâu, tác giả đã tóm tắt và nêu bật các công nghệ liên quan áp dụng cho khai thác sâu ở các nội dụng: Ứng dụng TBM (máy đào hầm) để xây dựng đường lò, công nghệ khai thác thông minh, công nghệ hóa lỏng mỏ than. 2. ỨNG DỤNG TBM ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG LÒ Có thể khẳng định rằng cho đến hiện tại TBM là máy đào hầm tiên tiến nhất được phát triển trên thế giới. TBM là sự kết hợp các chức năng cắt đá, lắp đặt hệ thống chống giữ, xử lý đá kẹp và vận tải vào một chiếc máy mỏ duy nhất [5] (Hình 3). So với phương pháp khoan nổ mìn truyền thống, TBM có những lợi thế đáng kể, bao gồm hiệu quả xây dựng cao và chi phí đào lò cho toàn bộ dự án thấp. TBM giúp cho việc bảo vệ môi trường và kiểm soát độ ổn định đá xung quanh đường lò được thuận lợi hơn [6]. Kể từ khi chiếc TBM hiện đại đầu tiên được phát triển và sử dụng thành công vào những năm 1950, hơn 10.000 TBM đã được sử dụng để xây dựng đường hầm cho giao thông, thủy điện, thoát nước, lưu trữ và đường lò trong khai thác hầm lò. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, nhiều loại TBM có khả năng đào các đường hầm có đường kính khác nhau ở nhiều điều kiện địa ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 42 chất phức tạp từ đá mềm đến cứng, hay trong đá tồn tại nhiều lớp đá kẹp. Tùy theo điều kiện của đất đá (đá cứng, đá mềm, đất đá hỗn hợp hay không đồng nhất), cùng với điều kiện về gương lò và vách lò, TBM có thể được phân loại thành bảy loại [7], như trong Hình 4. Do cường độ khai thác than ngày càng tăng nên số lượng, chiều dài và độ sâu của các tuyến lò trong mỏ than cũng tăng mạnh, phương pháp khoan & nổ truyền thống kết hợp với phương pháp vận tải toàn diện và các phương pháp chống giữ tương ứng không có khả năng kiểm soát độ ổn định của đá xung quanh và đảm bảo tiến độ đào lò. TBM loại dùng cho đá cứng có lợi thế đáng kể về tốc độ tiến gương, khả năng lắp đặt hệ thống chống giữ nhanh, thuận lợi cho việc bảo vệ môi trường và chi phí xây dựng thấp. TBM đã được sử dụng thành công cho một số công trình đào đường lò bằng và giếng nghiêng. Do đó, có thể thấy trước rằng ở các mỏ hiện đại, phương pháp đào lò sử dụng TBM sẽ là lựa chọn ưu tiên và ưa thích trong tương lai để xây dựng đường lò sâu trong đá ở các mỏ than [8]. 3. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC THÔNG MINH Công nghệ khai thác thông minh dựa trên các phương pháp khai thác cơ giới hóa kết hợp với tự động hóa toàn bộ, số hóa kết hợp với công nghiệp hóa đã mang lại một cuộc cách mạng trong ngành khai thác mỏ [9]. Khi mà chu trình xác định-quyết định và vận hành máy (xác định ranh giới của vỉa than & quyết định ranh giới khấu than) được tiến hành tự động thì gương khai thác được gọi là gương khai thác thông minh[10]. Công nghệ mới này có thể thực hiện khai thác tự động dựa trên nhận thức thông minh điều kiện và đặc điểm của gương khai thác, từ đó điều khiển thông minh từng máy khấu và tự động điều hướng thiết bị khai thác. Công nghệ khai thác thông minh có ba đặc điểm chính: ① Máy khấu có khả năng tự làm việc thông minh; ② thông tin và dữ liệu thời gian thực luôn được nắm bắt và Hình 4. Phân loại TBM ① Đầu cắt ② Đầu máy ③ Bộ phận giúp TBM di chuyển ④ Bộ phận phun bê tông ⑤ Bộ phận lắp đặt vì neo và vì chống ⑥ Bộ phận vận tải Hình 3. Máy TBM Gripper (sản xuất bởi công ty Robbins năm 2015) Đá cứng Đất mềm Đất đá không đồng nhất ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 43 cập nhật kịp thời, bao gồm thông tin địa chất, đường ranh giới có thể thay đổi giữa than và đá, vị trí của máy móc và của quá trình khai thác, v.v. và ③ máy móc có thể được điều khiển tự động tùy theo các điều kiện của gương khai thác. Ở Úc, LASC (Longwall Automation Steering Committee: Ban chỉ đạo tự động hóa lò chợ dài) phụ trách chỉ đạo phát triển công nghệ khai thác tự động và thông minh cho các mỏ than [11]. Các công nghệ tự động hóa của LASC có thể dễ dàng truy cập để sử dụng cho ngành khai thác trong nước và quốc tế thông qua hệ thống sản xuất bởi OEM (Original Equipment Manufacturer: Nhà sản xuất thiết bị gốc), nơi mà các tiêu chuẩn liên lạc mở với LASC đã tích hợp sẵn vào các máy khấu tự động. Công nghệ LASC cùng với công nghệ tự động hóa phát triển bởi CSIRO (Mining Technology Research Group: Nhóm nghiên cứu công nghệ khai thác) đã được áp dụng rộng rãi, hiện có hơn 70% mỏ than hầm lò của Úc được trang bị thiết bị khai thác tự động và việc ứng dụng công nghệ trên thị trường quốc tế ngày càng tăng[12]. Ba thành tựu chính đã đạt được dựa trên việc áp dụng phương pháp truyền tải quang học cho con quay hồi chuyển và phương pháp điều hướng-định hướng mới đó là: Thành tựu đầu tiên là cố định vị trí ba chiều (3D) của máy khấu (độ lệch nhỏ hơn ± 10 cm); thứ hai là một hệ thống điều chỉnh thẳng cho thiết bị tiến gương (độ lệch nhỏ hơn ± 50 cm); và thứ ba là một hệ thống điều khiển ngang cho thiết bị khi làm việc tại gương khai thác. Bằng cách này, hệ thống điều khiển tự động ban đầu đã được thiết lập và hoàn thành. Quá trình khai thác tại gương lò có thể được theo dõi và kiểm soát từ một vị trí xa, chẳng hạn như tại đường lò. IMSC (Intelligent Mining Service Center: Trung tâm phục vụ vụ khai thác thông minh) là một hệ thống giám sát từ xa được áp dụng cho hệ thống khai thác gương lò dài (longwall) và được phát triển bởi công ty Joy Global Inc. của Mỹ (gần đây được tiếp quản bởi công ty Komatsu Mining Corp của Nhật Bản). Hệ thống này nắm bắt thông tin và dữ liệu thời gian thực của tất cả các thiết bị và máy móc trong mỏ mọi lúc, mọi nơi. Nó cho phép các kỹ sư khai thác điều chỉnh các quy trình sản xuất than theo thông tin được báo cáo bởi hệ thống liên quan đến báo động hoặc sự cố (hình.5) [13]. Theo Wu et al. [14] nhiệm vụ mới cho việc số hóa công nghệ khai thác than đó là cần thiết lập mô hình các mỏ than và phương pháp truy cập thời gian thực vào các nền tảng tích hợp mỏ kỹ thuật số để xây dựng một hệ thống thực tế ảo mỏ than đa chiều và năng động. Bốn hướng chính cần được thực hiện để phát triển công nghệ số hóa trong khai thác than khi khai thác xuống sâu đó là: ① phát triển một nền tảng tích hợp khai thác mỏ với kỹ thuật số; ② phát triển một hệ thống mô phỏng các quá trình khai thác; ③ phát triển công nghệ định vị và điều hướng ngầm; và ④ phát triển hệ thống nhận biết và cảnh báo thông minh về môi trường khai thác. Hình 5. Gương khai thác sử dụng công nghệ thông minh IMSC 4. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HÓA LỎNG Xie et al. [15, 16] đề xuất rằng tồn tại một giới hạn lý thuyết về độ sâu khai thác bằng các phương pháp truyền thống. Về mặt lý thuyết, ước tính rằng tất cả các phương pháp khai thác hiện có sẽ trở nên lỗi thời một khi độ sâu của tài nguyên khoáng sản rắn dưới lòng đất vượt quá 6000 m. Do đó, khai thác và sử dụng tài nguyên khoáng sản ở độ sâu lớn, cần phải có sự đổi mới đột phá trong lý thuyết và công nghệ khai thác. Với mục đích này, Xie et al. [16] đề xuất một khái niệm lý thuyết và kỹ thuật về khai thác hóa lỏng tài nguyên khoáng sản rắn sâu trong lòng đất (Hình 6). Dựa trên phương pháp khai thác tương tự như TBM, ý tưởng là trong cùng một thời gian thực tích hợp tại chỗ nhiều công nghệ bao gồm khai thác, phân loại, tinh chế, san lấp, sản xuất điện và khí hóa tài nguyên rắn bằng cách sản xuất điện tại chỗ hoặc chuyển đổi khoáng sản thành khí, lỏng hoặc hỗn hợp khí/lỏng/chất rắn. Do đó, các mỏ than trong tương lai sẽ không tồn tại công nhân làm việc dưới lòng đất, than được khai thác và phân loại, sau đó hóa lỏng và vận tải lên bề mặt công nghiệp hoặc biến đổi thành năng lượng điện tại chỗ. Công nghệ thông minh này hứa hẹn sẽ tạo ra năng lượng sạch, an toàn, và thân thiện với môi trường. Đối với khai thác than, khái niệm khai thác hóa lỏng sẽ bao gồm năm quy trình chính sau: ① khai thác tự động, ② phân loại tự động, ③ hóa lỏng khoáng sản rắn, ④ chèn lò có kiểm soát và ⑤ sản xuất điện, truyền điện, điều khiển điện thông Giàn chống thủy lực Máy khấu Máng cào Cầu chuyển tải và máy nghiền ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 44 minh và lưu trữ điện. Đối với khai thác quặng, khái niệm khai thác hóa lỏng bao gồm ba bước sau: ① khai thác tự động, ② hóa lỏng khoáng sản rắn và ③ san lấp có kiểm soát [15]. Hình 6. Mô phỏng về công nghệ khai thác hóa lỏng Có bốn công nghệ cần phải đạt được để thực hiện khai thác hóa lỏng tài nguyên khoáng sản rắn sâu dưới lòng đất [24] đó là: ① chuyển đổi tài nguyên khoáng sản rắn thành khí, ví dụ như khí hóa than ngầm; ② chuyển đổi tài nguyên khoáng sản rắn thành nhiên liệu lỏng, chẳng hạn như hóa lỏng dưới lòng đất hoặc hóa lỏng than bằng phương pháp sinh hóa học ở nhiệt độ cao; ③ chuyển đổi tài nguyên khoáng sản rắn thành hỗn hợp, như hỗn hợp than, bụi than và bùn than; và ④ chuyển đổi tại chỗ các nguồn tài nguyên khoáng sản rắn thành năng lượng điện, chẳng hạn như điện khí hóa dưới lòng đất. Khai thác hóa lỏng thực sự là một sự đổi mới và đột phá trong các công nghệ khai thác, đặc biệt trong công tác khai thác xuống sâu trong tương lai. 5. KẾT LUẬN Bài viết trình bày thực trạng khai thác sâu trên thế giới và nêu bật một số thành tựu mới nhất về công nghệ và định hướng phát triển trong tương lai. Nó cũng định hướng trong việc giải quyết một số vấn đề về kỹ thuật và địa-cơ học liên quan đến khai thác sâu. Một số tiến bộ đã đạt được, các vấn đề về thách thức và tiềm năng trong khai thác sâu có thể được tóm tắt như sau: (1) Khai thác sâu sẽ trở nên phổ biến trong tương lai khi tài nguyên than và khoáng sản ở độ sâu nông dần cạn kiệt. Tiến độ và sản lượng khai thác bị ảnh hưởng bởi sự tiến bộ có phần hạn chế về cơ học đá và công nghệ máy móc. Do đó, các lý thuyết và kỹ thuật mới là cần thiết cho khai thác sâu. (2) TBM có lợi thế đáng kể trong việc đào & chống lò và đáp ứng các yêu cầu trong việc đào các đường lò ở độ sâu lớn. Do đó, TBM sẽ trở thành lựa chọn ưu tiên và ưa thích trong tương lai để xây dựng đường lò sâu trong đá ở các mỏ than. (3) Công nghệ khai thác thông minh đang được sử dụng trong khai thác than lò chợ dài đã được chứng minh rằng đó là một cuộc cách mạng trong khai thác than vì tỷ lệ lợi nhuận và đầu tư cao, tiết kiệm năng lượng, an toàn, số lượng lao động trực tiếp giảm mạnh và hiệu quả khai thác tăng cao. (4) Khai thác hóa lỏng cho tài nguyên than dưới lòng đất sâu là ý tưởng mới thực hiện bằng cách chuyển đổi tại chỗ tài nguyên khoáng sản rắn sâu dưới lòng đất thành khí, chất lỏng hoặc hỗn hợp khí/ lỏng/rắn bằng hệ thống máy mỏ thông minh, tự động, không người điều khiển. Phương pháp được đề xuất sẽ thay thế các phương pháp khai thác, vận chuyển và sử dụng tài nguyên truyền thống. Phương pháp này sẽ đi tiên phong trong việc phát triển công nghệ khai thác sạch, hiệu quả và thân thiện với môi trường đối với khoáng sản rắn sâu dưới lòng đất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xie H., Gao F., Ju Y., Gao M., Zhang R., Gao Y., et al. (2015), “Quantitative definition and investigation of deep mining,” Journal of the China Coal Society, Vol. 40 (1), pp. 1-10. [2] Xie H. (2017), “Research framework and anticipated results of deep rock mechanics and mining theory,” Advanced Engineering Science, Vol. 49 (2), pp. 1-16. [3] Hu S., Peng J., Huang C., Chen P., Li M. (2011), “An overview of current status and progress in coal mining of the deep over a kilometer,” China Mining Magazine, Vol. 20 (7), pp. 105-110. Bộ phận khấu than Bộ phận phân loại, tinh chế và chèn lò Bộ phận khí hóa và sản xuất điện Bộ phận truyền tải khí và điện (a) (b) ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 45 [4] Li Xi-bing. (2014) “Rock dynamics fundamentals and applications,” Science Press, Beijing. [5] Barla, G., Pelizza, S., (2000), “TBM tunnelling in difficult ground conditions,” GeoEng2000 – An International Conference on Geotechnical & Geological Engineering, Melbourne, Australia, pp. 20-28. [6] Liu, Q.S., Huang, X., Gong, et al. (2016), “Application and development of hard rock TBM and its prospect in China,” Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 57, pp.33– 46. [7] Y.L. Zheng, Q.B. Zhang, J. Zhao (2016), “Challenges and opportunities of using tunnel boring machine,” Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 57, pp. 287-299. [8] Xing H., Quansheng L., Kai S., Yucong P., Jianping L. (2018), “Application and prospect of hard rock TBM for deep roadway construction in coal mines,” Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 73, pp. 105-126. [9] Wang J.H., Wang Y.G., Fu J.H. (2016), “Crucial technology research and demonstration of digital mines,” Journal of the China Coal Society, Vol. 41 (6), pp.1323-1331. [10] Wang J.H., Huang Z.H. (2014), “Innovation and development of intelligent coal mining science and technology in China,” Coal Science and Technology, Vol. 42 (9), pp. 1-6 [11] Wang J.H., Huang L.T., Li S.B., Huang Z.H. (2014), “Development of intelligent technology and equipment in fully-mechanized coal mining face,” Journal of the China Coal Society, vol. 39 (8), pp. 1418-1423. [12] He M., Zhang G., Wang G., Xu Y., Wu C., Tang Q. (2009), “Research on mechanism and application to floor heave control of deep gateway,” Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, Vol. 28 (Suppl.1), pp. 2593- 2598. [13] Wang J.H., Huang Z.H. (2017), “The Recent Technological Development of Intelligent Mining in China,” Engineering, Vol. 3, pp. 439 - 444. [14] Wu L., Wang Y., Ding E., Zhu W., Zhang R., Zhang S., et al. (2012), “Thirdly study on digital mine: Serve for mine safety and intellimine with support from IoT,” Journal of the China Coal Society, Vol. 37 (3), pp. 357-365. [15] Xie H., Gao F., Ju Y., Ge S., Wang G., Zhang R., et al. (2017), “Theoretical and technological conception of the fluidization mining for deep coal resources,” Journal of the China Coal Society, Vol. 42 (3), pp. 547-556. [16] Xie H., Ju Y., Gao F., Gao M., Zhang R. (2017), “Groundbreaking theoretical and technical conceptualization of fluidized mining of deep underground solid mineral resources,” Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 67, pp. 68-70.