Bài giảng Các quá trình sản xuất mỏ lộ thiên: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
BỘ MÔN KỸ THUẬT MỎ LỘ THIÊN - KHOA MỎ - CÔNG TRÌNH

BÀI GIẢNG

CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT MỎ LỘ THIÊN
(Dành cho sinh viên bậc Đại học)
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Quảng Ninh, 2020


Chương 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
1.1. Đối tượng và điều kiện áp dụng phương pháp khai thác mỏ lộ thiên
1.1.1. Đối tượng của khai thác mỏ lộ thiên
Khai thác lộ thiên (KTLT) là một dạng hoạt động công nghệ nhằm thu hồi các khống
sản có ích (KSCI) ở thể rắn từ lòng đất (bao gồm cả dưới và trên mặt đất) nhằm sử dụng vào
các mục đích kinh tế khác nhau của Con người. Đối tượng của KTLT là tất cả những khoáng
sàng (nơi tập trung một hay một số KSCI ở trạng thái tự nhiên có khả năng khai thác được) có
chứa KSCI có thể khai thác được trong những điều kiện kinh tế - kỹ thuật cụ thể. Đặc điểm
cơng nghệ nổi bật của KTLT là phải bóc đi một khối lượng đất đá khá lớn (có thể tới hàng
chục lần) so với khối lượng KSCI thu hồi được, bởi vậy có thể nói, đối tượng tác động trực
tiếp của KTLT là đất đá mỏ và KSCI. Tuy nhiên, trong điều kiện cụ thể về địa chất thủy văn
và thời tiết khí hậu nước ta - mưa nhiều, lưu lượng nước ngầm lớn, thì đối tượng của KTLT
cịn là nước mỏ nữa. Thí dụ, nước thải của mỏ than Cọc Sáu hàng năm lên tới 910 triệu m3,
còn của mỏ sắt Thạch Khê theo tính tốn, thì có thể tới 3 triệu m3/ngày-đêm.
Sự phát triển của khoa học-công nghệ, của kinh tế-kỹ thuật là nhân tố quyết định quá
trình mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ KTLT, nhờ nó mà đối tượng của KTLT ngày
càng nhiều hơn về số lượng và phong phú hơn về chủng loại: Nhờ kỹ thuật gia công chế biến

hiện đại mà nhiều loại quặng nghèo (có chất lượng kém) đã được huy động để thu hồi bằng
KTLT như vonfram Núi Pháo, apatit Lào Cai loại III,…; Nhiều thân khống có chiều sâu vùi
lấp lớn đã được khai thác bằng phương pháp lộ thiên (mà trước đây không thể) như phần trữ
lượng than từ mức -150-300 m của các khoáng sàng than Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn,…;
Khơng ít những khống sàng có điều kiện tự nhiên hết sức phức tạp đã được đưa vào các dự
án KTLT mà điển hình là sắt Thạch Khê - một khống sàng có điều kiện tự nhiên khơng thuận
lợi: mưa nhiều, thân khống nằm sát mép biển, quặng phân bố sâu dưới mực nước biển tới
125750 m, lớp đất phủ mềm yếu, nước ngầm nhiều và có mối quan hệ thủy lực với nước
biển,... tiềm ẩn nhiều sự cố, rủi ro về môi trường,…
Các đối tượng KTLT thường có tính biến động cao về đặc điểm hóa, lý và cơ học. Điều
đó dẫn đến những khó khăn trong việc lựa chọn công cụ cũng như phương thức để tác động
lên nó một cách hiệu quả. Cuộc đại nhảy vọt của khoa học công nghệ trong nửa cuối của Thế
kỷ XX đã giúp cho ngành KTLT vượt qua được những trở ngại đó. Ngày nay người ta đã chế
tạo được những máy móc đa năng, có cơng suất từ nhỏ đến lớn và rất lớn, có nhiều tính năng
kỹ thuật phù hợp với mọi đối tượng tác động; nhiều loại vật tư kỹ thuật tiên tiến, tương thích
với mọi yêu cầu sử dụng;… mà chúng sẽ được lần lượt nghiên cứu trong các nội dung các
chương sau.
1.1.2. Đặc điểm của khai thác lộ thiên
Trên mỏ lộ thiên, các cơng trình khai đào đều được tiến hành ngồi trời, do vậy so với
khai thác hầm lị thì khai thác lộ thiên có những đặc điểm sau:
a) Điều kiện lao động tốt do mọi công việc được tiến hành ngồi trời, có đầy đủ ánh
sáng và khí trời, có không gian thao tác rộng lớn. Tạo điều kiện để đảm bảo sức khoẻ và nâng
cao năng suất lao động cho công nhân.
b) Điều kiện không gian cho phép sử dụng thiết bị hiện đại, có năng suất cao và khả
năng cơ giới hoá - tự động hoá. Ngày nay trên các mỏ lộ thiên lớn người ta sử dụng các loại
máy xúc tay gàu và máy xúc thuỷ lực được trang bị các hệ thống điều khiển, tra dầu mỡ, phát
hiện hỏng hóc,... tự động, trang bị hệ thống định vị tồn cầu GPS, có dung tích gàu 1225 m3
và hơn, ô tô tải trọng 75240 tấn hoặc những máy xúc nhiều gàu kiểu khung xích và kiểu rơtor
hiện đại có năng suất giờ đạt tới 3200 m3/giờ và hơn.
c) Thời gian xây dựng mỏ ngắn. So với mỏ hầm lị có sản lượng tương đương thì thời

gian xây dựng của mỏ lộ thiên thường chỉ bằng 2530 % hoặc nhỏ hơn, do có thể tiến hành
song song các công việc trong xây dựng, sử dụng được các thiết bị lớn có năng suất cao để thi

1


cơng các hạng mục cơng trình. Vốn đầu tư xây dựng của mỏ lộ thiên cũng nhỏ hơn nhiều so
với mỏ hầm lị có sản lượng tương đương trong vùng.
d) Tổn thất tài ngun ít vì khơng cần để lại các trụ bảo vệ như ở hầm lò, điều kiện địa
chất rõ ràng nên khơng bỏ sót tài ngun, dễ khai thác chọn lọc, có điều kiện để tận thu tài
nguyên. Tổn thất tài nguyên trung bình trên các mỏ lộ thiên là 68 %, có nơi chỉ 24 %, trong
khi đó của các mỏ hầm lị là 1824 %, cá biệt có nơi trên 60 %.
e) Chịu ảnh hưởng của thời tiết khí hậu. Đặc biệt đối với nước ta - một vùng khí hậu
nhiệt đới. Ảnh hưởng của mùa mưa là rất xấu đối với các mỏ lộ thiên, nhất là những mỏ đang
khai thác dưới mức thoát nước tự chảy. Mùa mưa hàng năm kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10,
gây ra những sự cố trầm trọng trên các mỏ than: ngập lụt, đường sá hư hỏng, bờ mỏ bị sụt lở,
đất đá và bùn lấp đầy mỏ,... Về mùa sương mù (từ tháng 2 đến tháng 4), ở các mỏ vùng núi
cao, thường rất khó khăn trong việc quan sát, nhất là những ngày hanh khơ, sương mù và bụi
làm cho tầm nhìn của tài xế chỉ còn lại vài ba mét. Nắng to về mùa hè cũng ảnh hưởng khá
nhiều đến sức khỏe của người lao động.
g) Về mặt môi trường, các mỏ lộ thiên thường gây nhiều tác động xấu, làm suy giảm chất
lượng khơng khí, đất, nước, cảnh quan khu vực,... hơn so với khai thác hầm lò. Khai thác lộ
thiên thường chiếm diện tích lớn đất đai (để mở khai trường và làm bãi thải), làm biến dạng
địa hình, địa mạo, cảnh quan khu vực. Các bãi thải ở phía nam của các mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu
đã vùi lấp hàng trăm hecta đất đai trồng trọt hai bên Quốc lộ 18 ở khu vực phía đơng thị xã
Cẩm Phả và buộc phải di chuyển Quốc lộ 18 xuống sát mép biển. Mặt khác nữa, khối lượng
đất đá thải của mỏ lộ thiên rất lớn, thường trơi dạt xuống phía dưới hạ lưu, gây bồi lấp các
nguồn nước chảy, trôi lấp diện tích cây rừng, sa mạc hố đất đai canh tác,làm ơ nhiễm nguồn
nước,... Các khí độc hại và bụi do nổ mìn, do hoạt động của các động cơ chạy điêzen phát thải
vào khơng khí, làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của cộng đồng dân cư quanh vùng và xa

hơn, là góp phần làm gia tăng khí nhà kính của trái đất.
1.1.3. Những khống sản được khai thác bằng phương pháp KTLT
Thiết bị mỏ ngày càng được cải tiến, tổ chức công tác trên mỏ ngày càng được hoàn
thiện làm cho giá thành khai thác ngày càng hạ đã cho phép mở rộng phạm vi áp dụng phương
pháp khai thác lộ thiên. Phạm vi ứng dụng của KTLT chủ yếu đối với khoáng sản lộ ra mặt
đất, bị vùi lấp khơng sâu; có điều kiện địa chất phức tạp; những khống sàng nguy cơ về nổ
bụi, khí nổ và tự cháy; với khoáng sàng ngập nước và bị vùi lâp dưới nước.
Tuy nhiên mức độ hiệu quả của phương pháp KTLT phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên
của vỉa như chiều dày, góc cắm, chiều dầy lớp đất phủ và tính chất cơ lý của nó; điều kiện về
địa hình, địa chất thuỷ văn và khí hậu. Các đặc trưng cấu tạo của khoáng sàng bao gồm:
a) Địa hình: bình ngun, sườn dốc, đỉnh núi, đồi mấp mơ. Vứa nằm trên đỉnh núi, bên
sườn núi chỉnh hợp hoặc khơng chỉnh hợp với địa hình (Hình 1.1 - a, b, k, m, n, l).
b) Vị trí vỉa: trực tiếp lộ ra ngồi hay bị phủ một lớp đất khơng dầy lắm (Hình 1.1- c, d,
k, n, l). Những khống sàng kiểu hỗn hợp (nằm trên núi và dưới sâu) thường được KTLT ở
phần trên cịn phần dưới thì khai thác bằng phương pháp hầm lị.
c) Góc cắm của vỉa: gọi là vỉa dốc thoải khi góc cắm của vỉa   10o, vỉa dốc xiên khi
=1030o, vỉa dốc đứng khi   30o.
d) Chiều dày của vỉa: vỉa mỏng nếu tiến hành khai thác bằng một tầng; vỉa trung bình
nếu tiến hành khai thác bằng hai tầng hoặc 2 phân tầng; vỉa dày nếu khai thác bằng từ ba phân
tầng trở lên.
e) Hình dáng của vỉa: vỉa có kích thước theo phương và độ dốc lớn trong khi chiều dày
của nó khơng lớn lắm: dạng vỉa, dạng tấm, dạng mạch; vỉa có kích thước gần giống nhau theo
mọi hướng: dạng khối, dạng ổ, dạng thấu kính; vỉa có kích thước dài theo một phương gọi là
dạng ống.

2


Hình 1.1. Những dạng thế nằm chủ yếu của khống sản
f) Cấu tạo của vỉa: Vỉa gọi là đơn giản nếu nó có cấu tạo đồng nhất, khơng có các lớp

đá kẹp xen kẽ. Trường hợp đó, dùng phương pháp khai thác khơng chọn lọc và tiến hành bóc
tồn bộ chiều dày của vỉa.
Vỉa gọi là phức tạp khi có uốn nếp mạnh, có nhiều đứt gãy kiến tạo, vỉa có hướng cắm
và góc cắm thay đổi mạnh trong phạm vi một khai trường,… Vỉa phức tạp nếu nó chứa các
loại khoáng sản khác nhau, chất lượng khác nhau (đúng tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn), xen kẽ
đá kẹp thì phải dùng phương pháp khai thác chọn lọc để tách riêng từng KSCI có hàm lượng
đúng tiêu chuẩn và đất đá làm bẩn. Việc khai thác chọn lọc theo từng loại KSCI được tiến
hành trên cơ sở thăm dò khai thác chi tiết.
Những yếu tố kể trên có ảnh hưởng quyết định đến việc lựa chọn quy trình cơng nghệ,
kỹ thuật và thiết bị để tiến hành khai thác.
1.2. Khái niệm về khống sản có ích và chất lượng của chúng
1.2.1. Khống sản có ích
Khống sản có ích (KSCI) là những tài nguyên thiên nhiên, có nguồn gốc thạch học từ
lịng đất, có thể khai thác và chế biến một cách hiệu quả để sử dụng vào những mục đích
khác nhau của Con Người.
Ngày nay khái niệm KSCI không chỉ dùng cho những tài nguyên khai thác từ lòng đất,
mà còn mở rộng cho những tài nguyên thiên nhiên lắng đọng từ đáy biển và thềm lục địa (như
các kết hạch sắt, mangan, titan…), cho các chất hoà tan trong nước và cho bản thân nước nữa.
Khái niệm về KSCI cũng mang tính chất tương đối. Đất sét, đá vơi là các KSCI trong
công nghiệp xi măng, nhưng khi chúng nằm lẫn trong đất đá phủ trên các vỉa khoáng sản khác
thì chúng là đá thải. Bản thân đất đá phủ của một mỏ khống sản nào đó khi được sử dụng vào
mục đích có lợi như san nền, lấp ao hồ, đem nung vôi (nếu là đá vôi), rải đường, làm vật liệu
đổ bê tơng,… thì chúng cũng được coi như một KSCI và được đưa vào bảng cân đối khi làm
kế hoạch sản xuất của xí nghiệp mỏ. Một loại khống sản nào đó trong điều kiện tự nhiên và
kỹ thuật mỏ này được coi là KSCI, nhưng trong điều kiện tự nhiên và kỹ thuật mỏ khác thì lại
được coi là đất đá thải khi khơng thể khai thác và sử dụng chúng có hiệu quả về mặt kinh tế.
Khống sản apatit loại III có hàm lượng 712 % P2O5 của Lào Cai là một ví dụ cho trường
hợp nói trên.
Vậy thì bản chất tự nhiên (thành phần hố học, thạch học, tính chất cơ lý,…) nào đó
chưa đủ để kết luận nó là KSCI hay khơng mà còn phải kèm theo khả năng khai thác và sử

3


dụng chúng nữa. Do vậy, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nói chung, của Ngành Mỏ (kỹ
thuật khai thác, chế biến) nói riêng, danh mục các KSCI ngày càng nhiều lên về số lượng và
phong phú thêm về chủng loại. Để thuận tiện trong sử dụng và ngắn gọn về mặt tin học, đôi
khi người ta gọi tắt KSCI là khống sản .
Thơng thường người ta phân loại KSCI thành khoáng sản kim loại,khoáng sản phi kim
loại và khoáng sản làm nhiên liệu.
* Các khoáng sản kim loại bao gồm:
- Quặng kim loại đen: chứa các kim loại sắt (Fe), mangan (Mn), crôm (Cr), titan (Ti),…
- Quặng kim loại mầu: chứa các kim loại đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn), nhôm (Al),
thiếc (Sn), niken (Ni), antimon (Sb),…
- Quặng kim loại quý: chứa các kim loại vàng (Au), bạc (Ag), platin (Pt),...
- Quặng kim loại phóng xạ: chứa các kim loại uran (U), thori (Th),…
- Quặng kim loại hiếm và nhẹ: chứa các kim loại ziricôni (Zr), niobi (Nb), gecmani
(Ge), scandi (Sc), cadimi (Cd), hafini (Hf), tantali (Ta), bêrili (Be), liti (Li),…
* Các khoáng sản phi kim loại bao gồm:
- Vật liệu xây dựng: đá vôi, đá granit, sét, cát, sỏi,…
- Nguyên vật liệu cho luyện kim: đá vơi (CaCO3), đơlơmit (CaCO3.MgCO3), flrit
(CaF2), grafit (than chì), đất chịu lửa, cao lanh, manhêgit (MgCO3),…
- Nguyên liệu cho công nghiệp hóa và thực phẩm: phốtphorit, apatit, lưu huỳnh, pyrit,
muối khống,…
- Nguyên liệu cho công nghiệp khác: amian, sợi đá, tan (hoạt thạch), barit, kim cương,
mica, silic, pecmatit, cơrinđơn (Al2O3),…
* Khống sản nhiên liệu: bao gồm than bùn, than nâu, than đá, diệp thạch cháy, dầu mỏ,
khí đốt.
1.2.2. Chất lượng của khống sản có ích
Khi đề cập đến một loại KSCI nào đó thì điều kiện đầu tiên phải nói đến đó là chất

lượng của nó. Tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng của KSCI là khác nhau cho từng chủng loại
và từng mục đích sử dụng. Đối với than, tiêu chuẩn chất lượng là độ tro, độ ẩm, nhiệt
năng,…; đối với khoáng sản khác là thành phần khoáng vật, hàm lượng, thành phần có ích, có
hại và một số tính chất khác. Đá vơi khi dùng để rải đường thì cần quan tâm đến tính chất cơ
lý của nó như sức bền kháng nén, hệ số hút nước, hệ số biến mềm,… nhưng khi dùng để sản
xuất cacbua - canxi thì phải chú ý tới thành phần hóa học của nó.
Một cách khái quát người ta có định nghĩa: chất lượng của một loại KSCI nào đó là tổng
hợp các tính chất xác định về mức độ thuận lợi và hiệu quả kinh tế khi sử dụng nó cho một
mục đích nhất định.
Chất lượng của KSCI được biểu thị trong hai nhóm: có ích và có hại. Trong khống sản
manhêtit, hàm lượng Fe3O4 là thuộc nhóm chất lượng có ích, cịn hàm lượng lưu huỳnh, phơt
pho là thuộc nhóm có hại.
Người ta phân chất lượng KSCI thành chất lượng tuyệt đối và chất lượng tiêu thụ. Chất
lượng tuyệt đối được đặc trưng bằng tổng hợp các chỉ tiêu có tính chất khách quan như thành
phần hố học, tính chất cơ lý, đặc trưng công nghệ,… chất lượng tiêu thụ của KSCI được đặc
trưng bởi một hay một số chỉ tiêu nào đó theo u cầu sử dụng.
Thí dụ: đối với đá vôi khi dùng rải nền đường sắt, người ta quan tâm đến độ cứng và độ
mài mòn, khi dùng để nung vơi thì hàm lượng CaCO3 là chỉ tiêu cơ bản, khi dùng để trang trí
thì hình thức đường vân, màu sắc và khả năng mài bóng là chỉ tiêu hàng đầu.
Để đánh giá chất lượng KSCI người ta thường dùng chỉ tiêu chất lượng tổng hợp, trong
đó có kể đến ảnh hưởng của thành phần có ích cũng như có hại đối với giá trị chung của sản
phẩm cuối cùng:

 q ia i   q jb j
n

q

m

1

1

(1-1)

G

4


Trong đó: qi ; qj - chỉ tiêu chất lượng thực tế của thành phần có ích thứ i và có hại thứ j
trong khống sản có ảnh hưởng đến giá trị sản phẩm cuối cùng với tỷ lệ tương ứng ai và bj; G
- giá trị của sản phẩm cuối cùng. Các giá trị ai và bj được xác định bằng phương pháp thống kê
trên cơ sở các chỉ tiêu chất lượng các thành phần riêng biệt đối với giá thành sản phẩm cuối
cùng.
Thí dụ: sau khi phân tích giá thành gang phụ thuộc vào hàm lượng sắt (Fe) và các tạp
chất khác lẫn trong khoáng sản người ta thấy ảnh hưởng của chúng đối với giá thành theo các
tỷ trọng tương ứng như sau: SiO2 - 26 %; lưu huỳnh - 7,7 %; phôtpho - 5,1 % và oxit nhơm 3,2 % thì khống sản này có chỉ tiêu chất lượng tổng hợp là:
0,58q Fe  0,2 q SiO  0,08q S  0,05q p  0,03q Al O
q
(1-2)
G
Khoáng sản đủ chất lượng là khi các chỉ tiêu chất lượng thành phần có ích và có hại
khơng vượt qua giới hạn chỉ tiêu định mức tương ứng:
qi  qoi và qj  qoj
Trong đó: qoi, qoj chỉ tiêu chất lượng định mức thành phần có ích thứ i và có hại thứ j
của loại khống sản đó (%).
Các chỉ tiêu chất lượng định mức và thành phần có ích và có hại của từng loại khống
sản là những chỉ tiêu rất quan trọng, được xác định cho từng loại khoáng sản trong những điều

kiện kinh tế và kỹ thuật cụ thể khi tiến hành khai thác và sử dụng chúng.
2

2

3

1.3. Chỉ tiêu chất lượng của một số KSCI thơng dụng
1.3.1. Khống sản sắt
Hàm lượng nhỏ nhất của sắt khi đưa vào luyện đối với các loại khoáng sản được quy
định như sau: khống sản hêmatít - manhêtít là 5660 %, manhêtít (Fe3O4) 5658 %, khống
sản sắt nâu (limơnit) 4550 %, quăczit - sắt 5064 %, siđêrit (FeCO3) 3335 %.
Khi giảm hàm lượng sắt trong khoáng sản sắt chứa silic xuống 1 % thì năng suất của lị
cao giảm 45 % và tiêu hao cốc tăng 2,7 %.
Lưu huỳnh và phốtpho là những tạp chất có hại. Khi nấu khống sản trực tiếp thì hàm
lượng lưu huỳnh khơng q 0,20,3 %, khi qua thiêu kết là dưới 3 %.
Hàm lượng phốtpho trong khống sản khi dùng cho lị Besme khơng q 0,03 %, cho lị
Mactanh 0,15 %, cịn cho lò Tomát 0,81,2 %.
Độ ẩm cho phép tuỳ thuộc vào loại khống sản và bằng 533 %, kích thước cỡ hạt
5150 mm, tỷ lệ bột khống sản khơng lớn hơn 1030 %.
Khống sản có chứa chất kiềm (CaO và MgO) làm tăng hiệu quả của lò cao, do giảm
được tiêu hao các chất trợ dung.
1.3.2. Khoáng sản mangan
Khoáng sản mangan dùng trong công nghiệp luyện kim đen và màu, để chế tạo thép
cácbon, thép đặc biệt, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của mangan khi dùng luyện kim là thành
phần hố học của nó. Khống sản oxit mangan chứa 1940 % Mn, 45 % SiO2, 0,10,3 P,
524 % CaO. Nếu là khống sản sắt-mangan dùng cho luyện kim khơng qua tuyển thì hàm
lượng sắt và mangan trong khống sản khơng được nhỏ hơn 4050 %.
1.3.3. Khoáng sản đồng
Khoáng sản đồng trong công nghiệp luyện kim màu, dùng để chế tạo đồng nguyên chất

và các hợp kim của nó. Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của khoáng sản đồng là hàm lượng đồng
(Cu), thành phần khoáng vật, độ cứng và thành phần cỡ hạt. Khống sản có hàm lượng đồng
lớn hơn 2 % thì được gọi là giàu. Khống sản có chất lượng trung bình hàm lượng chứa trên 1
% đồng. Khoáng sản chứa từ 0,71 % đồng là khoáng sản nghèo. Khi hàm lượng dưới 0,7 %
thì gọi là khống sản rất nghèo.
Trong các loại khống sản đồng cơng nghiệp thì các loại khống sản đồng đa kim đồng chì - kẽm và đồng-niken là có giá trị cơng nghiệp lớn hơn cả.
1.3.4. Khống sản đa kim chì - kẽm

5


Trong khoáng sản này thường chứa bạc đồng, thiếc, coban, cátmi, vàng và một số thành
phần khác. Theo thành phần có ích người ta chia ra làm 5 loại chính: kẽm, chì-kẽm, đồng-chìkẽm, thiếc-chì-kẽm và asen-chì-kẽm.
Khống sản chứa trên 4 % chì hoặc 47 % chì kẽm được gọi là khoáng sản giàu. Gọi là
khoáng sản nghèo khi chứa 1,22 % kẽm hoặc dưới 4 % chì-kẽm. Khi tỷ lệ giữa chì và kẽm
từ 1/5 đến 1/2 thì tổng hàm lượng của chúng trong khống sản đa kim khơng được dưới 3 %.
1.3.5. Khống sản nhơm
Khống sản nhơm chủ yếu trong công nghiệp là bauxit. Bauxit làm nguyên liệu ban đầu
để chế tạo oxit nhơm (Al2O3), sau đó dùng phương pháp điện phân để thu hồi nhôm nguyên
chất.
Chỉ tiêu chất lượng của khống sản nhơm là hàm lượng Al2O3 trong bauxit khơng dưới
28 %, các tạp chất có hại là oxit silic, canxit, đôlômit, siđêrit, pyrit,…, bauxit dùng để sản
xuất vật liệu chịu lửa phải chứa trên 46 % Al2O3.
1.3.6. Than đá
Khoảng 70 % than đá khai thác được dùng làm nhiên liệu. Phần còn lại dùng vào việc
luyện cốc, chế tạo sản phẩm tổng hợp, khí than,…
Đặc trưng chất lượng của than là các chỉ tiêu: hàm lượng cácbon, oxy, nitơ, độ tro, độ
ẩm, tỷ lệ chất bay hơi khi nung, hàm lượng lưu huỳnh, nhiệt lượng, tính thiêu kết, trọng lượng
riêng, độ nóng chảy của tro.
Chất lượng của than được quy định bởi sự phân loại công nghiệp và tiêu chuẩn tiêu thụ.

Thí dụ, đối với than đá là tỷ lệ chất bay hơi và tính thiêu kết; đối với than antraxit là tỷ lệ chất
bay hơi và nhiệt năng; đối với than bùn là hàm lượng cácbon và độ ẩm,... Bảng 1.1 cho thấy
chất lượng than của hai vỉa chính ở mỏ Cọc Sáu.

Vỉa than
Vỉa dày
Vỉa G

Bảng 1.1. Chất lượng than của vỉa dày và vỉa G mỏ Cọc Sáu
Các chỉ tiêu
Độ ẩm
Chất bốc
Nhiệt lượng
Lưu huỳnh
chất lượng
(W, %)
(V, %)
(Q, kcal/kg)
(S, %)
Độ tro (A, %)
12,53
2,35
5,85
8476
0,42
9,27
1,89
6,82
8367
0,40

1.3.7. Đôlômit
Đôlômit dùng để sản xuất vật liệu chịu lửa, chất cách điện, vật liệu mài, chất trợ dung
trong luyện kim…
Yêu cầu về chất lượng đôlômit dùng trong luyện kim là: hàm lượng MgO không nhỏ
hơn 1719 %; SiO2 không lớn hơn 6 %; Fe2O3+MnO khơng lớn hơn 5 %, tỷ lệ bột có kích
thước nhỏ hơn 25 mm khơng vượt q 3 %, khơng có lưu huỳnh và phốtpho, sức bền kháng
nén tạm thời không nhỏ hơn 30 MPa.
1.3.8. Đá vôi
Đá vôi là nguyên liệu phổ biến dùng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: Xây dựng (sản
xuất vôi và ximăng), luyện kim (chất trợ dung), hố chất (chế tạo axêtylen, amơniắc, nước đá
khơ, phân bón,…), giao thơng vận tải….
Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của đá vơi là tính chất cơ lý (độ mài mòn, độ cứng, độ bền
nén, độ ngậm nước, hệ số biến mềm, trọng lượng riêng,…) và thành phần hoá học của nó.
Bảng 1.2. Giới thiệu chỉ tiêu tổng hợp của đá vôi Việt Nam
Sức kháng nén, MPa
Khối lượng
Tỷ
Độ rỗng Độ ngậm
Hệ số
3
riêng (t/m )
trọng
(%)
nước (%)
biến mềm
Khô
No nước
2,662.96

2,71

1,21,25

0,20,4

6

0,750,9

4375

53


Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của đá vôi là tính chất cơ lý (độ mài mịn, độ cứng, độ bền
nén, độ ngậm nước, hệ số biến mềm, trọng lượng riêng,…) và thành phần hố học của nó.
Khi dùng để rải đường người ta quan tâm tới các chỉ tiêu độ bền nén (> 4060 MPa), hệ
số hút nước (  3 %), hệ số biến mềm (0,60,7), trọng lượng riêng (< 2,1 t/m3)… Khi dùng
sản xuất cacbua canxi thì hàm lượng CaO > 53 %, SiO2 < 1,5 %, Mg < 1,0 %, SO3  1,0 %,…
Bảng 1.3. Giới thiệu các chỉ tiêu về hàm lượng và cỡ hạt
Giới hạn dao
động
Từ
Đến
Tr. bình

Hàm lượng các oxit
chủ yếu (%)
SiO2

Fe2O3
Al2O3
96,6
0,02
99,8
0,06
1,14
99,3
0,12
0,61

Cỡ hạt (%)
> 0,7 mm
3,6
0,6

0,70,4 mm
0,60
53,4
11,5

0,40,1 mm
42,2
99,4
87,7

1.3.9. Đất sét chịu lửa và cao lanh
Đất sét chịu lửa và cao lanh dùng để sản xuất các vật liệu chịu lửa, làm các lớp đệm lót
trong các lị luyện kim. Chỉ tiêu chất lượng của nó là thành phần hố học, thành phần khống
vật (hàm lượng Al2O3, silic, sắt, titan, chất kiềm…) nhiệt độ nóng chảy.

1.3.10. Cát thạch anh
Cát thạch anh dùng trong vật liệu chịu lửa, dùng trong xây dựng, công nghiệp thủy tinh,
công nghiệp điện tử…
Khi dùng làm vật liệu chịu lửa lót trong các lị luyện thép thì nhiệt độ nóng chảy của cát
không được nhỏ hơn 1650oC với hàm lượng SiO2  9095 %; tạp chất có hại của cát là Al2O3.
Chỉ tiêu chất lượng tổng hợp của cát là thành phần khoáng vật, thành phần hoá học và
cỡ hạt của nó.
Cát Vân Hải có chất lượng rất tốt, được sử dụng trong công nghiệp thuỷ tinh cao cấp,
được các khách hàng trong và ngồi nước ưa thích.
1.4. Khái niệm về đất đá mỏ
Theo quan điểm địa chất học thì thuật ngữ “đá” được dùng để chỉ tất cả các vật liệu tự
nhiên tạo nên vỏ trái đất, trừ nước, tồn tại ở các thể cứng và đặc sít (đá xây dựng, đá
balast,...), mềm (đá phấn) rời rạc (cát, sỏi), xốp và nhẹ (than, bùn), lỏng (dầu mỏ).
Trong khai thác mỏ, đất đá mỏ là tập hợp tự nhiên các khoáng vật từ vỏ trái đất bao
quanh và nằm lẫn trong thân khống mà phải loại bỏ trong q trình khai thác để thu hồi
KSCI.
Theo nguồn gốc thành tạo, người ta phân chia đất đá mỏ thành: đá macma, đá trầm tích và đá
biến chất.
Đá macma là những đá được thành tạo do sự đơng cứng của dung nham nóng chảy từ
lịng đất phun ra ngồi hoặc nằm lại trong vỏ trái đất, bao gồm 2 loại: đá xâm nhập và đá phun
trào. Một số đá xâm nhập thường gặp như granit, sienit, điôrit, gabrô,... đá phun trào như
trachit, bazan, điaba,...
Đá trầm tích là những đá được tạo thành do sự lắng đọng của các sản phẩm phá huỷ của
các đá có trước dưới tác dụng ngoại sinh và qua quá trình lèn nén (lý học) và xi măng hố
(hố học). Các đá trầm tích thường gặp trong khai thác mỏ như đá vôi, đôlômit, cát kết, dăm
kết, thạch cao, laterit,...
Đá biến chất là sản phẩm của sự biến đổi các đá macma và trầm tích dưới tác dụng của
các quá trình nội sinh (nhiệt độ và áp suất) xảy ra ở các độ sâu khác nhau trong vỏ trái đất.
Các đá biến chất thường gặp trong khai thác mỏ như quaczit, cẩm thạch (còn gọi là đá hoa marble), gơnai,...

7


1.4.1. Đặc điểm chung của đất đá mỏ
Đá macma xâm nhập thường nằm sâu trong vỏ trái đất chịu áp lực lớn của các lớp đá
nằm trên và quá trình nguội từ từ, do vậy mà thường có cấu trúc tinh thể lớn, đặc sít, có mật
độ lớn, cường độ kháng nén cao, ít hút nước.
Đá macma phún xuất được phun trào lên trên mặt đất, đông cứng nhanh trong điều kiện
nhiệt độ và áp suất thấp, làm cho các khống khơng kịp kết tinh, hoặc chỉ kết tinh được một
bộ phận với kích thước tinh thể bé, chưa hồn chỉnh, phần lớn cịn lại tồn tại ở dạng vơ định
hình, các chất khí và hơi nước khơng kịp thốt ra, để lại nhiều lỗ rỗng làm cho đá xốp và nhẹ.
Căn cứ và hàm lượng oxit silic, đá macma được chia ra thành các loại: macma axit
(SiO2 > 65 %), macma trung tính (SiO2 = 6555 %), macma bazơ (SiO2 =5545 %) và macma
siêu bazơ (SiO2 < 45 %).
Đá trầm tích được tạo thành từ q trình lắng đọng các sản phẩm phong hố của các đá
có trước, trải qua các thời kỳ địa chất dưới tác động của áp suất và q trình hố học mà
chúng tạo thành từng lớp rõ rệt và có chiều dày, mầu sắc, cỡ hạt, độ bền,... khác nhau tuỳ theo
thành phần cấu tạo. Độ bền nén của đá trầm tích, theo phương vng góc với các lớp ln lớn
hơn so với độ bền nén theo phương song song với lớp. Đá trầm tích thường có độ kháng nén
thấp hơn, độ hút nước cao hơn và dễ gia công hơn so với đá macma.
Tính chất của đá biến chất do tình trạng biến chất và thành phần của đá gốc quyết định.
Đá biến chất từ macma do tái kết tinh và sắp xếp lại cấu trúc dạng phiến (trừ đá hoa và
quaczit) nên thường yếu hơn các đá gốc tạo ra chúng, trong khi đó thì q trình tác động của
áp lực và sự tái kết tinh lại làm cho các đá biến chất từ dá trầm tích trở nên có độ bên cao hơn
so với đá gốc. Tác dụng biến chất không chỉ làm thay đổi cấu trúc của đá mà còn làm thay đổi
thành phần khoáng vật của đá.
1.4.2. Đặc trưng công nghệ của đá cứng và cứng vừa
Đất đá thuộc loại cứng bao gồm phần lớn các đá biến chất, các đá phún xuất và một
phần các đá trầm tích như thạch anh, granit, các đá bazan, gabrô, cát kết (sa thạch) silic, cuội
kết (cơnglơmêrat),... có giới hạn bền nén một trục mẫu bão hoà nước là 2050 MPa . Đất đá

thuộc loại cứng vừa bao gồm các đá phún xuất và biến chất bị phong hoá, các đá trầm tích
nguyên sinh như đá phiến sét, đá phiến sét thạch pha cát, sa thạch - vôi, dăm kết, alêvrôlit,...
Giới hạn bền nén một trục trên mẫu bão hoà nước của đất đá cứng vừa là đặc trưng công nghệ
của đất đá cứng và cứng vừa là phải làm tơi sơ bộ trước khi xúc bóc.
Theo mức độ nứt nẻ, người ta phân đất đá cứng và cứng vừa thành 5 loại (Bảng 1.4).
Bảng 1.4. Phân loại đất đá theo mức độ nứt nẻ trong nguyên khối
Cấp
nứt nẻ

Mức độ
nứt nẻ

I
II
III
IV
V

Rất mạnh
Mạnh
Vừa
Ít
Nguyên khối

Khoảng cách
trung bình các
kẽ nứt, cm
< 10
10  15
50 100

100 150
> 150

Số
khe nứt
> 10
2  10
12
1 0,65
< 0,65

Tỷ lệ % các khối nứt
có kích thước, cm
30
70
100
< 10
0
0
< 30
<5
1070
70100
30  80
540
100
80100 40100
100
100
100

1.4.3. c trng công ngh của đá tơi vụn
Do kt quả của nổ mìn, hoặc phá vỡ bằng cơ giới hay bởi các lực tự nhiên khác (sụt lở,
phong hoá,..) đá cứng trở thành tơi vụn và do vậy sẽ thuận lợi cho việc xúc bóc và vận chuyển
chúng. Các đặc trưng công nghệ của đá tơi vụn là độ dính kết, cỡ hạt và độ bền trong mẫu của chúng.
Theo độ dính kết, người ta phân đá tơi vụn làm 3 cấp:
Cấp I: Đá ở dạng rời, có nhiều khe hở khơng khí xen giữa các cục đá. Khi đắp đống, đá
có xu hướng lăn và tạo thành sườn dốc rõ nét. Hệ số nở rời Kr  1,41,65.

8


Cấp II: Đá ở dạng rời - hơi dính kết, có ít khe hở khơng khí xen kẽ. Khi đắp đống khơng
có sườn dốc rõ nét, Kr = 1,21,3.
Cấp III: Đá bị phá vỡ nhưng khơng hồn tồn tách khỏi nhau. Độ nứt nẻ tăng lên nhưng
vẫn duy trì được sự dính kết giữa chúng. Đống đá có sườn dốc thẳng đứng, Kr = 1,031,05.
Theo cỡ hạt, đá được phân làm 5 cấp (Bảng 1.5).
Bảng 1.5. Phân loại đất đá theo cỡ hạt
Cấp hạt

Cỡ hạt

I
II
III
IV
V

Rất nhỏ
Nhỏ

Trung bình
Lớn
Rất lớn

Kích thước cục đá, cm
Lớn nhất
Trung bình
10
< 40  60
< 60  100
15  25
< 100 140
25  35
150  200
40  60
250  350
70  90

Kr
1,4
1,45
1,5
-

1.4.4. Đặc trưng công nghệ của đá đặc sít, mềm và bở rời
Đá đặc sít bao gồm đất sét cứng, đá phấn, diệp thạch sét, diệp thạch vôi,...
Độ bền nén một trục 520 MPa. Ở nguyên khối chúng có thể duy trì được độ dốc tới
6070o với chiều cao 1012 m. Với các thiết bị xúc bóc có lực cắt lớn hơn 0,30,4 MPa thì có
thể xúc trực tiếp mà khơng cần làm tơi sơ bộ. Góc nội ma sát bằng 1635o. Lực dính kết
0,54 MPa .

Đất đá mềm bao gồm các loại sét pha, cát pha, các đá biến chất hoặc phún xuất đã bị
phân huỷ,... Giới hạn bền nén một trục là 15 MPa. Góc nội ma sát 1423o. Lực dính kết
0,051 MPa. Giữ được sườn dốc 5070o với chiều cao 515 m. Có thể xúc bóc trực tiếp với
lực cắt khơng nhỏ hơn 0,20,3 MPa. Khi khô sẽ trở thành đá cứng vừa, nhưng khi gặp nước
sẽ bị trương nở và mềm trở lại.
Đất đá chứa sét khơng đặc sít có độ bền nén khơng lớn hơn 1 MPa. Góc nội ma sát nhỏ
hơn 10o. Lực dính kết khơng q 0,05 MPa. Loại đất này có độ ẩm cao, dễ thấm rã, khó tháo
khơ, đặc biệt khơng ổn định trong tình trạng bão hồ nước.
Đất đá mềm tơi như sét, cát pha sét,... bị mất lực dính kết tự nhiên nhưng khi trong khối
lượng lớn thì lực dính kết có thể tăng lên 1530 %. Mật độ và lực dính được tăng lên trong
điều kiện độ ẩm khơng q lớn, khơng có dịng nước ngầm và được đắp đống cao trong thời
gian dài.
Cát đồng nhất thuộc loại đá rời. Góc dốc của chúng trong đống cũng như trong ngun
khối khơng vượt q góc nội ma sát (1937o). Lực dính kết gần như khơng có. Chỉ khi chúng
nằm đơng đặc và có độ hạt khơng đều thì lực dính kết mới đạt được dưới 0,030,05 MPa .
1.5. Một số chỉ tiêu cơ lý của khoáng sản và đất đá mỏ
1.5.1. Sức cản phá vỡ của khoáng sản và đất đá mỏ
Hiện nay, phần lớn các mỏ đá vẫn quen dùng thang độ cứng (còn gọi là độ kiên cố) của

giáo sư Prôtôđiacônôv f = n (n - ứng suất kháng nén một trục của đất đá, MPa). Thang độ
10
cứng này không đặc trưng đầy đủ cho sức cản phá vỡ của đất đá mỏ trong các khâu khoan nổ
mìn, xúc bóc,...,
Tuỳ theo phương thức phá vỡ đất đá mà người ta sử dụng các chỉ tiêu khác nhau để biểu
thị cho sức cản phá vỡ của đá.
Mức độ khó phá vỡ tổng quát của đất đá được xác định theo công thức thực nghiệm sau:
Pd = 0,05Kn (n + c + k) + 0,5
(1-3)
Trong đó: Kn - hệ số kể đến độ nứt nẻ của đất đá; n, c, k - ứng suất kháng nén, kháng
cắt và kháng kéo của đất đá, MPa;  - khối lượng riêng của đất đá, t/m3.

9


Theo hình thức đánh giá trên, đất đá mỏ được chia thành 5 cấp (I, II, III, IV và V) và 25
loại (1, 2, 3, ... và 25) với mỗi cấp có 5 loại tính từ dễ đến khó, theo mức độ khó đập vỡ Pd,.
Bảng 1.6 giới thiệu cách phân loại đất đá theo các phương thức phá vỡ nói trên. Thực tế, với
một loại đất đá cụ thể có thể có cấp và loại khác nhau trong khi đánh giá mức độ khó phá vỡ
tổng quát, mức độ khó khoan và mức độ khó nổ.
Tương tự, người ta phân loại đất đá theo mức độ khó xúc khi xúc đất đá trong nguyên
khối theo công thức nghiệm sau:
Pxn = 3(0,2n + c + k) + 0,3
(1-4)
Bảng 1.6. Phân loại đất đá theo mức độ khó phá vỡ Pđ
Cấp
I
II
III
IV
V

Mức độ
Dễ
Dễ vừa
Khó
Khó vừa
Rất khó

Loại
từ 1 đến 5

6  10
11  15
16  20
21  25

Pd
từ 1 đến 5
5,1  10
10,1  15
15,1  20
20,1  25

Mức độ khó xúc của đất đá trong đống đá tơi vụn là:
10 Ao
]
(1-5)
Pxt' = 0,022[ Ao 
K r 9
Trong đó:  - hệ số làm yếu cấu trúc của đất đá trong nguyên khối theo hướng xúc ;
Ao = .dtb + c
(1-6)
Với: dtb - đường kính trung bình của cục đá tơi vụn trong đống đá, cm; Kr - hệ số nở rời
của đất đá; c ứng suất kháng cắt của đất đá, MPa.
Để kể đến hình dạng cụ thể và loại kích thước của thiết bị xúc bóc sử dụng khi xác định
mức độ khó xúc thực tế trong đất đá nguyên khối và trong đống đá tơi vụn thì:
Pxn = Kh.Kk. Pxn'
(1-7)
’
Pxt = Kh.Kk.P xt
(1-8)

Kh và Kk là hệ số có kể đến ảnh hưởng của hình dạng kích thước và loại thiết bị sử dụng,
được tra trong bảng 1.7.
Bảng 1.7. Giá trị Kh trung bình
Thiết bị
Máy xúc tải bánh lốp
Máy ủi
Máy chất tải (bốc)
Máy xúc tay gàu
Máy xúc gàu treo
Máy xúc nhiều gàu kiều xích
Máy xúc rơto

Kh
1,25  1,60
1,20  1,50
1,0 1,15
1,0
1,05  1,25
1,4 1,9
1,31,7

Mức độ khó xúc Pxn và Pxt được chia thành 10 cấp với 30 loại theo mức độ từ dễ đến khó.
1.5.2. Khối lượng thể tích, khối lượng riêng
Khối lượng thể tích của đất đá là khối lượng của một đơn vị thể tích loại đất đá đó, được
biểu thị bằng g/cm3 hoặc kg/m3 hoặc tấn/m3.
Khối lượng riêng (hay còn gọi là mật độ khối lượng) của đất đá là đại lượng đo bằng
thương số giữa khối lượng nguyên chất của loại đất đá đó và thể tích mà nó chiếm chỗ. Khối
lượng riêng được biểu thị bằng g/cm3 hoặc kg/m3 hoặc tấn/m3.
1.5.3. Tỷ trọng
Tỷ trọng là tỷ lệ giữa khối lượng riêng của một chất nào đó so với khối lượng riêng của

nước ở nhiệt độ 4oC và áp suất 1 at. Chính vì vậy tỷ trọng khơng có thứ ngun.

10


1.5.4. Trọng lượng thể tích, trọng lượng riêng
Trọng lượng thể tích của đất đá là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất đá loại đó. Nó
được xác định bằng tích số giữa khối lượng thể tích của loại đất đá đó với gia tốc trọng
trường. Trọng lượng thể tích được biểu thị bằng đơn vị N/m3.
Tương ứng với khối lượng riêng của loại đất đá đó, ta có khái niệm trọng lượng riêng.
1.5.5. Độ rỗng và chỉ số độ rỗng
Độ rỗng (n) của đá là tỷ số giữa thể tích rỗng (chiếm bởi khơng khí, nước, hoặc cả hai)
và thể tích của đá. Đơi khi người ta cũng dùng chỉ tiêu độ đông đặc (1-n) để đánh giá chất
lượng của đất đá. Ngoài ra người ta dùng chỉ số độ rỗng (e), tức là tỷ số giữa thể tích các lỗ
rỗng (Vv) và thể tích của phần vật chất đặc sít (Vg) trong đá (Hình 1.2).

V
n
 v
1 n Vg
Vv
e
hay n 

1 e Vv  Vg

e

(1-9.a)
(1-9.b)

Kh«ng khÝ

N-íc

Vn

1

. . . . . . . .
... .. .. . .. .. .. . ... ... .. . .
.
.
. .. ... . . . ...... . ... .... . ..
. . . . .... . . . . . .
. . . .. . .. .. . . . .. . 1-n
.
...
.
.

.. . . . ... .. . . .. . .. . . . . .
.
.
.. .. . .. ........ . ...... . . . .. .
. ... . . .
. .. . .
.. . . .
.
.

.
.
..
.

Vg

n

Vv

n

Vg

Hình 1.2. Sơ đồ xác định
chỉ số độ rỗng của đất đá

Pn

nSt

. . . . . . . .
... .. .. . .. .. .. . ... ... .. . .
.
.
. .. ... . . ....... . ... .... . ..
. . . .P..®.. . . . . . .
. .. . . . .. .. . . . .. .
.

...
.
.

.. . . . ..... . . .. . .. . . . . .
.
.
.. .. . .. ........ . ...... . . . .. .
. ... . . .
. .. . .
.. . . .
.
.
.
.
..
.

Vv

Hình 1.3. Sơ đồ xác định
độ ngậm nước của đất đá

1.5.6. Hàm lượng nước và độ ngậm nước
Hàm lượng nước và độ ngậm nước: hàm lượng nước (St) biểu thị cho lượng nước chứa
trong đá, tính bằng tỷ số giữa thể tích bị nước chiếm dụng và thể tích của toàn bộ lỗ rỗng (Vt):
St = Vn/Vt ; tức là khi đá hồn tồn khơ, ta có St = 0 và khi đá no nước, St = 1. Còn độ ngậm
nước () được đặc trưng bởi tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong khối đá (Pn) và trọng
lượng khô của vật liệu (Pđ) tạo nên khối đá đó (Hình 1.3).



Pn e.St . n

Pđ
g

(1-10)

1.5.7. Cỡ hạt của đá
Trong nhiều trường hợp, cỡ hạt cũng là một chỉ tiêu chất lượng của đá. Thí dụ, đối với
các loại đá sử dụng trong xây dựng và làm đường: đá mạt có kích thước 1x2 cm dùng để làm
cốt liệu bê tông, đá dăm có kích thước 4x6 cm để rải đường hoặc lót nền đường sắt, đá hộc có
kích thước 25x35 cm dùng để xây kè hay làm móng nhà,…
Đường kính trung bình của cỡ hạt được xác định theo biểu thức:
d .n
d tb   i i , m
(1-11)
 ni
Trong đó: di - cấp đường kính trung bình thứ i, mm; ni - tỷ lệ các hạt có cấp đường kính
trung bình di trên một đơn vị chiều dài, đơn vị diện tích hay đơn vị thể tích đo ngẫu nhiên
trong đống đá.

11


Câu hỏi ơn tập chương 1
1. Phân tích ưu nhược điểm các thang phân loại sức cản phá vỡ đất đá của
Prôtôđiacônôv và Rjevxki và điều kiện sử dụng chúng!
2. Chỉ tiêu cỡ hạt trung bình của đá thường được sử dụng trong trường hợp nào? Trên

thực tế, có bao nhiêu phương pháp xác định chỉ tiêu này?
3. Hãy phân tích những đặc điểm của khai thác lộ thiên so với khai thác hầm lị.
5. Chất lượng của khống sản có ích được đặc trưng bằng những chỉ tiêu nào ? Nêu một
số thí dụ.
5. Với một khống sản cụ thể, các chỉ tiêu chất lượng có giống nhau trong mọi điều kiện
sử dụng khơng? Nêu thí dụ.
6. Hãy kể nguồn gốc sinh thành của đất đá mỏ! Đất đá vùng than Quảng Ninh thuộc loại
nào? Đá granit thuộc loại nào?
7. Thế nào là độ rỗng của đất đá? Ý nghĩa của nó trong thực tế sản xuất?
8. Thế nào là độ ngậm nước của đất đá? Ý nghĩa của nó trong thực tế sản xuất?

12


Chương 2
CÔNG NGHỆ KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN
2.1. Khái niệm về khai thác lộ thiên
Khai thác lộ thiên là một hoạt động cơng nghệ nhằm thu hồi KSCI từ lịng đất (bao
gồm dưới và trên mặt đất) bằng các công trình mỏ tiến hành ngồi trời theo một trình tự xác
định. Nơi tiến hành các hoạt động nói trên gọi là mỏ lộ thiên hay khai trường lộ thiên (gọi tắt
là khai trường). Khai trường có thể khai thác một hoặc đồng thời nhiều loại khoáng sản trên
một phần hay tồn bộ một khống sàng.
Trong mỏ lộ thiên, tầng là yếu tố cơ bản. Tầng có mặt tầng, mép tầng, sườn tầng, chân
tầng. Tầng có thể chia thành phân tầng. Thông số cơ bản của tầng là chiều rộng mặt tầng (B),
chiều cao tầng (h) và góc nghiêng sườn tầng (). Trên hình 2.1 giới thiệu các thành phần cơ
bản của mỏ lộ thiên: 12 - biên giới phía trên của khai trường; 14 và 23 - bờ kết thúc của mỏ;
34 - biên giới theo chiều sâu của mỏ; 27 - bờ không công tác; 5- tầng không công tác; 6- tầng
công tác; 8 - đai vận tải;  - góc nghiêng sườn tầng, độ; φ - góc nghiêng bờ cơng tác, độ; V,
T - góc kết thúc của bờ vách và bờ trụ, độ; Hc - chiều sâu kết thúc của mỏ, m; HK - chiều sâu
đạt biên giới phía trên của mỏ, m;  - góc cắm của vỉa, độ.

1

5
2
8

6



Hk
Hc


9

c

7

t

4
m

3

Hình 2.1. Các thành phần của mỏ lộ thiên
Tập hợp các tầng về một phía thì gọi là bờ mỏ. Bờ mỏ trên đó có các tầng đang làm việc
thì gọi là bờ cơng tác. Trên bờ cơng tác có thể có một số tầng khơng làm việc hoặc đã ở vị trí

kết thúc. Bờ mỏ trên đó chỉ bao gồm các tầng khơng làm việc thì được gọi là bờ dừng, nếu ở
vị trí kết thúc (biên giới mỏ) gọi là bờ kết thúc.
Góc tạo bởi đường xiên nối từ chân tầng thấp nhất tới mép tầng cao nhất và đường
thẳng nằm ngang trên mặt phẳng thẳng đứng vng góc với phương vị của bờ ở vị trí cắt qua
thì gọi là góc nghiêng bờ mỏ. Góc nghiêng của bờ cơng tác gọi là góc bờ cơng tác (). Góc
nghiêng của bờ dừng gọi là góc bờ dừng hay góc bờ kết thúc ().
Vị trí khơng gian của mỏ lộ thiên ở thời điểm kết thúc mỏ gọi là biên giới mỏ. Biên
giới mỏ phía trên là vị trí cuối cùng của bờ mỏ ở thời điểm kết thúc trên mặt đất. Chiều sâu
cuối cùng của mỏ (Hc) là chiều sâu tương ứng với vị trí đáy mỏ ở thời điểm mỏ kết thúc khai
thác.
2.2. Các giai đoạn khai thác mỏ lộ thiên
Để khai thác một khoáng sàng bằng phương pháp lộ thiên phải tiến hành qua các giai
đoạn sau:
a) Giai đoạn xây dựng mỏ: Tuỳ theo quy mô, điều kiện tự nhiên và kỹ thuật mà giai
đoạn này có thể kéo dài 23 năm hoặc hơn. Nội dung công việc giai đoạn này là tháo khô mỏ,
chuẩn bị mặt bằng (đánh rễ cây, di chuyển các cơng trình quan trọng ra khỏi phạm vi biên giới
mỏ, nắn sơng suối,…), xây dựng các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp (khu dân cư, văn
phịng xí nghiệp, kho tàng, nhà xưởng, bunke,..) lắp đặt thiết bị (các thiết bị khai thác, xưởng
sửa chữa, đường dây điện, đường dây thơng tin, hệ thống khí ép,… và các thiết bị phụ trợ
khác) và mở vỉa khoáng sàng (xây dựng hệ thống đường hào ra vào mỏ, tạo ra các tuyến cơng
tác đầu tiên, bóc khối lượng đất đá ban đầu,…).

13


b) Giai đoạn đưa mỏ vào sản xuất và đạt sản lượng thiết kế: Trong giai đoạn này, mỏ
bắt đầu hoạt động kinh doanh với sản lượng ban đầu nhỏ hơn sản lượng thiết kế (theo một tỷ
lệ nhất định nào đó). Tiếp tục đầu tư bổ sung để hồn thành nốt một số cơng trình như lắp đặt
thêm thiết bị, mở thêm tuyến cơng tác, hồn thiện xây dựng mặt bằng công nghiệp. Giai đoạn
này kéo dài cho tới khi hồn tất các cơng việc xây dựng cơ bản và mỏ đạt được sản lượng

thiết kế.
c) Giai đoạn sản xuất bình thường: Đây là giai đoạn hoạt động sản xuất kinh doanh
chủ yếu của mỏ lộ thiên. Thời gian của giai đoạn này tuỳ thuộc vào trữ lượng và quy mơ sản
xuất của mỏ. Có thể trong suốt q trình sản xuất của thời kỳ này, sản lượng khai thác quặng
và đất đá bóc của doanh nghiệp mỏ là khơng đổi (đối với các có tuổi thọ nhỏ, thường dưới
810 năm) hoặc thay đổi theo từng thời gian nhất định (đối với các mỏ có tuổi thọ lớn) cho
phù hợp với điều kiện cụ thể về sản trạng của thân quặng và nhu cầu tiêu thụ của thị trường
đối với loại khống sản đó.
d) Giai đoạn kết thúc mỏ: Tận thu phần tài nguyên phần còn lại ở đáy mỏ và dưới các
trụ bảo vệ. Tháo dỡ thiết bị, nhà xưởng. Phục hồi đất đai trồng trọt, khắc phục các hậu quả
gây ra do quá trình hoạt động của mỏ đối với môi trường sinh thái.
2.3. Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên
Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ lộ thiên khá đa dạng, tuỳ theo loại khoáng sản, phương
pháp mở vỉa, hệ thống khai thác và đồng bộ thiết bị sử dụng,... Thông thường, trong sơ đồ
công nghệ khai thác mỏ lộ thiên không bao gồm khâu tuyển khống mà chỉ có khâu gia cơng
chế biến sơ bộ trên mỏ như sàng tuyển sơ bộ, nghiền đập, phân loại,....
Sơ đồ tổng quát công nghệ khai thác lộ thiên được giới thiệu trên hình 2.2. Tùy theo
điều kiện tự nhiên và kỹ thuật cụ thể mà đối với mỗi mỏ có một sơ đồ riêng của mình, mặc dù
vậy, tất cả các sơ đồ đều tuân thủ theo nguyên lý ở sơ đồ hình 2.2.
Khi khai thác các khống sản rắn, có đất đá phủ cứng, thì mọi q trình sản xuất trong
dây chuyền cơng nghệ đều tuân thủ gần đúng sơ đồ hình 2.2. Khi khai thác các khoáng sản ở
dạng sa khoáng aluvi, đêluvi, êluvi,… thì khâu bóc đất đá phủ, khoan - nổ mìn, nghiền đập sẽ
khơng có trong dây chuyền cơng nghệ.
Khi khai thác than thì trong khâu thu hồi khống sản khơng có cơng đoạn khoan - nổ
mìn; khâu gia cơng chế biến tại mỏ khơng có cơng đoạn nghiền đập.
Khi khai thác đá xây dựng dạng núi cao, trong khâu mở vỉa khống sàng, cơng đoạn
bóc một phần đất đá phủ được thay thế bằng các công việc bạt ngọn, xén chân tuyến; ở giai
đoạn đầu tiên chỉ có thốt nước mỏ (bằng tự chảy) mà không cần tháo khô; không phải bóc
đất phủ ở giai đoạn sau (có thải đá ở công đoạn loại bỏ tạp chất nhưng không đáng kể). Tuy
nhiên trong khâu gia công chế biến tại mỏ thì phức tạp hơn do phải nghiền đập và sàng phân

loại nhiều cấp để thu được các cỡ hạt như ý.
Khi khai thác sét thì cơng đoạn khoan - nổ mìn, nghiền đập hầu như khơng xuất hiện
trong dây truyền cơng nghệ (có thể có khâu đánh tơi khi phối liệu để làm nguyên liệu xi
măng).
Trong sơ đồ công nghệ khai thác quặng, cũng có trường hợp khâu gia cơng chế biến tại
mỏ chỉ có sàng phân loại và rửa sơ bộ trước khi chở về nhà máy tuyển tinh chứ khơng có khâu
nghiền đập, đất đá phủ có trường hợp có thể xúc bóc trực tiếp mà khơng cần khoan - nổ mìn,
cũng tương tự như vậy đối với quặng.
Trong khai thác than lộ thiên, một bộ phận khá lớn than nguyên khai có thể tiêu thụ trực
tiếp mà khơng cần qua chế biến. Phần cịn lại phải qua chế biến loại bỏ tạp chất (hầu hết bằng
nhặt thủ cơng trên băng tải) sau đó qua sàng để phân loại các loại than theo yêu cầu của chất
lượng thương phẩm. Một số trường hợp có cơng đoạn nghiền đập pha trộn để tận dụng các
loại than có độ tro lớn và nhiệt lượng thấp.

14


Giai đoạn

Quy trình cơng nghệ

XÂY DỰNG MỎ

KHAI THÁC MỎ

Các khâu sản xuất
Vệ sinh thu
dọn

Di dời

Xây dựng
cơng nghiệp

San gạt

Xây dựng

Mở vỉa
khống sàng

Mở đường ra vào
mỏ và bãi thải

Chuẩn bị mặt
bằng dự án

Tháo khơ

khumỏ

Tháo khơ
và thốt nước mỏ

Lắp đặt
thiết bị

Bóc một phần
đất đá phủ
Tạo mặt bằng

cơng tác đầu tiên
Khoan nổ

Bóc đất đá phủ

Xúc bóc

Thu hồi
Khống sản

Khoan nổ
Vận tải
Xúc bóc
Thải đá

Vận tải
Gia cơng chế biến
tại mỏ

Loại bỏ tạp
chất

Chất kho
thành phẩm

Nghiền

®Ëp

Phân loại

ĐĨNG CỬA MỎ

Nạo vét tận thu
tài nguyên

Phục hồi cảnh quan

Thủ công kết hợp
cơ giới

Tháo dỡ

San lấp xây
dựng

Trồng cây

Hình 2.2. Sơ đồ hoạt động tổng quát của công nghệ khai thác mỏ lộ thiên
Đá xây dựng ở 2 miền Nam, Bắc nước ta có đặc điểm rất khác nhau. Trong khi ở miền
Bắc có tiềm năng về đá vơi rất lớn thì ở khu vực miền Nam chủ yếu chỉ có một số loại đá trầm
tích có cường độ chịu lực lớn và một số khơng nhiều đá mắc ma; do đó cơng nghệ khai thác
chúng cũng khác nhau.
Đặc điểm của khai thác lộ thiên là thu hồi khống sản có ích trong lịng đất trực tiếp từ
mặt đất, do vậy trước hết phải bóc hết lớp đất đá phủ ở trên và xung quanh thân quặng về mọi
phía theo yêu cầu kỹ thuật.
Đặc điểm của công nghệ khai thác đá xây dựng là khâu gia công chế biến chủ yếu nằm
trên mỏ và thuộc mỏ quản lý, khâu này thường có nhiều cơng đoạn hơn so với ở các mỏ
quặng và than, thông thường phải sử dụng quy trình sàng đập 2 hay 3 giai đoạn. Khi tiến hành
khai thác một khoáng sàng đá, khâu công tác đầu tiên là tháo khô và thoát nước mỏ. Đối với
hầu hết các mỏ khu vực phía Nam (Tà Thiết, Sroc Con Trăng, Đồng Lâm, các mỏ đá Đồng

Nai, các mỏ đá Bình Dương,…) thì thốt nước tháo khơ mỏ là khâu quan trọng, có ảnh hưởng
trực tiếp tới phương pháp khai thác và hiệu quả làm việc của các khâu công tác tiếp sau. Tuy
nhiên, với các mỏ có dạng núi cao như ở khu vực phía Bắc (Hồng Thạch, Chinh Fong, Phúc
Sơn, Nghi Sơn, Bỉm Sơn,…) thì khâu này tương đối đơn giản, khơng tốn nhiều công sức lắm.

15


Tháo khơ
và thốt nước mỏ
Bóc đất phủ

Xúc bóc
Vận tải

Thu hồi đá
Khoan nổ

Thải đất

Xúc bóc

Vận tải

Gia cơng chế biến
tại mỏ

Sàng đập
nhiều cấp

Chất kho
thành phẩm

Phân loại

Hình 2.2.- Sơ đồ cơng nghệ khai thác tổng quát trên mỏ đ á
Khâu bóc đất phủ thường chỉ xẩy ra đối với các mỏ đá phía Nam. Đất phủ trên các mỏ
đá hầu hết là mềm, có thể xúc bóc trực tiếp mà khơng cần làm tơi sơ bộ. Trên các mỏ đá, khối
lượng đất phủ không nhiều và thường được tận dụng vào các mục đích: san lấp, làm đường,
đắp đê bao,... nên khâu đổ thải thường khơng đáng kể.
Đá xây dựng thường có độ cứng lớn, độ bền kháng nén (σn) có thể từ 50 đến 140 MPa
hoặc hơn, do vậy để thu hồi chúng thì phải tiến hành làm tơi sơ bộ.
Tuỳ theo mục đích sử dụng mà trước khi xuất cho các hộ tiêu thụ phải tiến hành gia
công chế biến (đập, phân loại, làm sạch,…). Chất kho, thải loại tạp chất là khâu sản xuất cuối
cùng trên mỏ đá (hình 3.1).
Trong khai thác sét cũng có trường hợp đất sét có kết cấu rắn chắc, khơng thể xúc trực
tiếp, khi đó người ta thường sử dụng máy xới để làm tơi sơ bộ trước khi xúc.
Khi khai thác titan ven biển thì cơng nghệ khai thác tương đối đơn giản, tuy nhiên khâu
sàng tuyển (gia công chế biến) lại chiếm khối lượng công việc lớn nhất trong dây truyền công
nghệ. Khâu sàng tuyển nhằm mục đích loại bỏ rác rưởi (thường bằng sàng quay) và sau đó là
tách cát ra khỏi các hạt quặng titan bằng hệ thống các bơm cát và các máy tuyển thuỷ lực vít
xoắn (Hình 2.3). Khâu gia cơng chế biến cần có nguồn nước dồi dào.
Xúc bóc

Thu hồi quặng

Vận tải

Gia cơng chế biến

Lọc rác sàng quay
Bơm
Phân ly cát hình cơn

Bơm
Tuyển vít xoắn

Chất kho

Bơm

Bơ m
Tuyển vít xoắn

Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ khai thác Titan ven biển

16


Đất đá phủ thường có độ cứng rất lớn, do vậy trước khi bóc phải tiến hành đập vỡ và
tách chúng ra khỏi nguyên khối. Khối lượng đất bóc thường rất lớn do vậy phải vận chuyển
chúng về bãi thải. Quặng (khống sản có ích) thu hồi được có thể trực tiếp đưa về kho thành
phẩm hoặc qua chế biến. Tuy nhiên để thực hiện có hiệu quả các khâu trên cần tiến hành song
song và kịp thời tháo khô và thốt nước mỏ. Tồn bộ dây truyền cơng nghệ trên được biểu thị
ở hình 2.3, tương ứng với mỗi khâu ở dây truyền sản xuất có thể có nhiều phương tiện và hình
thức khác nhau để tiến hành cơ giới hố.
2.4. Phương tiện cơ giới hố các khâu cơng nghệ
2.4.1. Phương tiện cơ giới hoá khâu chuẩn bị đất đá
Ba khâu công nghệ cơ bản trong dây truyền sản xuất trên mỏ lộ thiên là chuẩn bị đất đá,
xúc bốc và vận tải. Phương tiện kỹ thuật dùng cho các khâu này rất phong phú và đa dạng,

bao gồm các thiết bị khoan, chất nổ và phương tiện nổ, các loại máy xúc và các thiết bị phụ
trợ có chức năng tương tự, các phương tiện vận tải,... Các phương tiện thiết bị này ngày một
hoàn thiện và phát triển, đặc biệt là vào nửa cuối thế kỷ XX.
Để cơ giới hoá khâu chuẩn bị đất đá và quặng cho xúc bóc có thể dùng phương pháp
cơ giới (dùng máy xúc điều khiển sụt lở tự nhiên, dùng máy xới, máy ủi, máy nghiền đập chất bốc), năng lượng chất nổ (máy khoan kết hợp với chất nổ và phương tiện nổ), thuỷ lực
(súng bắn nước, ống thẩm thấu), vật lý (điện, siêu âm), hoá học (chất trương nở),.…
Về thiết bị khoan, có các loại máy khoan xoay, máy khoan đập - xoay, máy khoan xoay
cầu,… Trên các mỏ lộ thiên có đất đá cứng chủ yếu dùng hai loại máy khoan đập - xoay và
máy khoan xoay cầu .
Đối với máy khoan đập - xoay, trong những năm gần đây đã có 2 cải tiến quan trọng đó
là thay thế đầu đập khí nén bằng đập thuỷ lực và đưa đầu đập xuống đáy lỗ khoan. Việc thay
thế đầu đập khí nén bằng đầu đập thuỷ lực đã làm tăng áp lực khoan từ 0,50,7 MPa lên
2530 MPa, nhờ đó tăng năng lượng một lần đập của pistơng lên 5001000 J, tăng tần số đập
lên 30005000 lần/phút. Việc đưa đầu đập xuống đáy lỗ khoan (đối với khoan có đường kính
khoan 89251 mm) là một tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo máy khoan, làm tăng hiệu quả
năng lượng đập của pistông lên gương lỗ khoan 1,31,6 lần, khắc phục hiện tượng chệch
hướng lỗ khoan, giảm nguy cơ kẹt mũi khoan,... tốc độ khoan của loại máy khoan này trong
đất đá cứng có thể đạt tới 60 m/giờ
Đối với máy khoan xoay cầu, nhiều hãng máy mỏ lớn hơn như Ingersoll-Rand, BusirusErie, Tamrock,... đã chế tạo được các máy khoan đường kính từ 160380 mm, khoan sâu đến
55 m, có trang bị hệ thống tự động điều kiển chế độ khoan, hệ thống định vị toàn cầu GPS để
xác định chính xác vị trí lỗ khoan. Tốc độ khoan của máy DM-45/LP có thể đạt tới 42 m/h
trong đá granít. Đường kính máy khoan cầu 120A cũng của hãng P&H lên tới 387 mm, chiều
sâu một cần khoan là 9,8 m,....

Hình 2.4. Máy khoan thuỷ lực ROC F7 của Hãng Atlas - Copco

17


Các hãng chế tạo máy khoan của LB Nga như Buzuluxki, Voronhetxki,... cũng đang cải

tiến các loại máy khoan CБШ đã có theo hướng mở rộng đường kính lỗ khoan và nâng cao
chiều sâu khoan. Máy khoan xoay cầu - nhiệt CБШ-250 MHP đã được đưa vào sử dụng trên
các mỏ sắt lộ thiên vùng KMA để khoan đất đá cứng sâu tới 19 m mà không phải nối cần,
phần nạp thuốc được mở rộng tới 400 mm bằng mũi khoan nhiệt kèm theo. Theo ý kiến của
các chuyên gia mỏ của LB Nga, thì tương lai phải chế tạo các máy khoan xoay cầu có đường
kính tới 450 mm hoặc lơn hơn và phải đạt được chiều sâu khoan 4560 m.
Về chất nổ, bên cạnh sự phát chế ANFO (1954) một loại chất nổ dễ chế tạo, nguyên
liệu phong phú có, sức cơng phá tốt, an tồn trong sản xuất, bảo quản và sử dụng, giá rẻ (bằng
70 % Amơnít) và đặc biệt là khơng gây ơ nhiễm mơi trường. Năm 1960 các nhà khoa học đã
phát chế thành cơng chất nổ ngậm nước (Watergel) có tỷ trọng tới 1,251,26 và sức công phá
320330 cm3 để nổ trong môi trường ngậm nước. Tuy nhiên loại chất nổ này có nhược điểm
là đường kính tới hạn lớn (80 mm), tính ổn định hoá học kém và đắt tiền. Để khắc phục các
nhược điểm trên các nhà khoa học Mỹ đã nghiên cứu thành công chất nổ nhũ tương (Emusion
Explosivex-1978) với những ưu điểm nổi bật như: tỷ trọng lớn 1,251,30; sức cơng phá
330340 cm3; có khả năng chịu nước tới 72 giờ; khơng gây ơ nhiễm mơi trường; có đường
kính tới hạn nhỏ (32 mm), an toàn trong sản xuất, bảo quản và sử dụng, đặc biệt là từ khi chế
tạo được các bong bóng thuỷ tinh (chất tăng nhậy nằm trong chất nổ nhũ tương) và giá rẻ hơn
chất nổ ngậm nước. Sự ra đời của chất nổ nhũ tương được đánh giá như một đột phá trong
công nghiệp chế tạo chất nổ cơng nghiệp của thế kỷ XX.

Hình 2.5. Xe nạp thuốc nổ nhũ tương đang làm việc
Để khởi nổ các lượng thuốc, năm 1970 Công ty Nitro-Nobel (Thụy Điển) đã chế tạo và
đưa ra thị trường hệ thống kích nổ vi sai phi điện thay thế cho các phương tiện nổ truyền
thống. Sự kiện này được coi là một phát minh quan trọng nhất trong công nghệ nổ mìn của thế
kỷ XX. Sử dụng phương tiện nổ phi điện có độ tin cậy và độ an tồn cao, cho phép thiết kế sơ
đồ nổ vi sai linh hoạt với số lượng không hạn chế các lượng thuốc, khơng chịu tác động của
dịng điện lạc và sóng điện từ, đấu phép mạng nổ đơn giản, cho phép nổ vi sai ngay trong nỗ
khoan, hiệu quả phá vỡ đất đá cao, cỡ hạt đều, kích thước đống đá gọn, giảm hậu xung, giảm
chi phí chất nổ.
Bên cạnh phương tiện nổ phi điện, sự ra đời của kíp nổ điện tử cũng có giá trị lớn về

khoa học, cho phép điều khiển vi sai tới từng nỗ mìn với thời gian giãn cách bất kỳ (12 ms),
giảm tới mức nhỏ nhất lượng thuốc phát nổ tại một thời điểm, giảm biên độ cực đại của chấn
động so với khi điều khiển bằng kíp điện thường tới 77 % (kết quả đo tại cơng trình đường
hầm Marin - Tây Ban Nha - 7/2001).
Áp lực của những đòi hỏi khắt khe về bảo vệ môi trường ở những năm cuối thế kỷ XX
thúc đẩy các nhà khoa học đi tìm những giải pháp phá vỡ đất đá mà không cần tới nổ mìn.
Chất phá đá NPV-7B, Dexpan, hệ thống phá đá CardoxTube, phá đá bằng chất hoạt tính bề

18


mặt,... mở đầu cho công nghệ phá đá sạch ở nhiệt độ thấp, không gây chấn động lớn, không
bụi, không có đá bay, khơng xả khí độc vào mơi trường. Tuy nhiên các giải pháp phá đá này
chưa thể thay thế cho phương pháp nổ mìn ở quy mơ lớn. Bên cạnh đó sự phát triển của cơng
nghệ chế tạo máy đã tạo tiền đề để tiếp tục hoàn thiện đầu đập thuỷ lực, máy xúc có răng gàu
tích cực, máy phay cắt liên hợp.

Hình 2.6. Sơ đồ mạng nổ mìn phi điện
Bảng 2.1. Năng suất của các máy xới phụ thuộc vào tốc độ truyền âm của đất đá
Loại máy
xới
D9R
D10R
D11R

Tốc độ truyền âm của đất đá, m/s
1600
1800
2000
1.600.000

1.000.000
800.000
2.200.000
1.400.000
1.100.000
2.270.000
1.500.000
1.170.000

2200
650.000
750.000
850.000

Ngày nay người ta đã chế tạo được những máy xới có trọng lượng 100132 tấn, cơng
suất 6001100 kW, có thể xới sâu 1,61,8 m trong đất đá có tốc độ truyền âm dưới
30003500 m/s (Bảng 2.1).
Các máy xới có cơng suất và trọng lượng trong phạm vi đó phải kể đến D-10N, D-11N
của hãng Caterpillar; D-275A, D-375A, D-475A, D-575A của hãng Komatsu; TT-300P-1-01,
T-500P-1, T-50-01 của LB Nga,… Tờ World Mining Equipment tháng 2/2000 thông báo rằng
hãng Caterpillar vừa cho ra đời loại máy xới mới D-11R có trang bị hệ thống tự động điều
khiển lưỡi gạt và bộ phận chuẩn đoán sự cố trong quá trình làm việc.

Hình 2.7. Minh họa chiếc máy xới CAT D11N đang làm việc

19


Làm tơi đất đá bằng máy xới khơng chỉ có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế (theo số liệu
thống kê của các mỏ lộ thiên Mỹ, giá thành làm tơi 1 m3 đất đá bàng máy xới chỉ bằng 40 %

so với khi sử dụng phương pháp khoan - nổ mìn) mà cịn có ý nghĩa lớn về mặt môi trường do
không gây chấn động mặt đất, chấn động khơng khí, khơng có đá văng và khơng xả khí độc
hại vào khơng khí.
Chiếc búa thuỷ lực ra đời đầu tiên năm 1967 do hãng Krupp-Berco Bautechnik của
CHLB Đức chế tạo. Sau 4 lần cải tiến năm 1985, 1995, 1998 và năm 2000, các búa thuỷ lực
Eco và Marathonra đã được trang bị thêm các bộ phận chống rung, chống ồn và bảo vệ an
toàn để trở thành các phương tiện phá đá có năng suất cao và điều khiển hiện đại. Tới nay đã
có nhiều hãng sản suất búa thuỷ lực để phá đá quá cỡ, cậy bẩy đá trong nguyên khối,... trên
mỏ lộ thiên như Atlas Copco, Stanley, Rammer, Indeco, Socomec, IR Motabert, Hitachi,
Furukawa,... lực đập của các loại búa lớn (HM-4000 của hãng Kurpp) có thể tới 65120 tấn.
Năng suất đập của búa HM-2600 là 180540 tấn/giờ và của HM-4000 là 230680 tấn/h tuỳ
theo độ cứng của đá. Với năng suất trên búa thuỷ lực thực sự là một thiết bị khai thác đá trực
tiếp mà không cần khoan nổ mìn. Búa thuỷ lực hiện đang được sử dụng ở nhiều mỏ lộ thiên
trên thế giới với tư cách là một thiết bị phá đá chủ yếu trong đồng bộ thiết bị sử dụng của mỏ.
2.4.2. Phương tiện cơ giới hóa khâu xúc bóc đất đá
Các phương tiện cơ giới hố dùng trong xúc bóc rất đa dạng. Theo tính chất hoạt động
của cơ cấu cơng tác có thể phân thiết bị xúc bóc thành 2 loại: có cơ cấu cơng tác hoạt động
liên tục và có cơ cấu công tác hoạt động không liên tục. Theo đặc điểm cấu trúc công nghệ
người ta phân biệt chúng thành các loại sau:
a) Máy xúc tay gàu kéo cáp (MXTG): là loại máy xúc một gàu, làm việc theo chu kỳ,
có gàu xúc được gắn cố định với tay gàu. Lực xúc của gàu xúc được tạo ra nhờ hệ thống dây
cáp kéo và cơ cấu ra vào tay gàu (Hình 2.8-a). Máy xúc tay gàu có lực xúc lớn, tuy nhiên do
quỹ đạo chuyển động của gàu cứng nên hướng đặt lực xúc trong nhiều trường hợp không
trùng với hướng xúc cần thiết, tạo nên lực cản xúc lớn (khi răng gàu trúng vào giữa cục đá),
làm tăng mômen lật và tiêu hao nhiều năng lượng. Máy xúc tay gàu được dùng phổ biến để
xúc đất đá cứng trên mỏ lộ thiên.
b) Máy xúc thủy lực (MXTL): là loại máy xúc một gàu, có hệ thống pistơng thuỷ lực
nối giữa thân máy với cần máy, cần máy với tay gàu và tay gàu với gàu xúc. MXTL có quỹ
đạo xúc rất đa dạng, nhờ vậy mà lực xúc luôn được đặt trùng với hướng xúc cần thiết, dẫn đến
tiết kiệm được năng lượng xúc, moment lật nhỏ, tăng hệ số xúc đầy gàu,…. MXTL gồm 2

loại: gàu thuận và gàu ngược (Hình 2.8-b). Máy xúc thủy lực gàu thuận (MXTLGT) sử dụng
hiệu quả trong việc xúc bóc chọn lọc. Máy xúc thủy lực gàu ngược (MXTLGN) làm việc
thích hợp với gương dưới mức máy đứng, do vậy mà phát huy được hiệu quả trong việc đào
sâu đáy mỏ khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy.
c) Máy xúc gàu treo (MXGT): là loại máy xúc một gàu được treo bằng cáp, lực xúc của
gàu xúc được tạo nên bởi trọng lượng bản thân, lực quán tính khi quăng gàu và cáp kéo gàu.
Cần của máy xúc gàu treo dài và có thể điều chỉnh góc nghiêng nhờ hệ thống cáp dằng. Máy
xúc gàu treo có 2 loại: gàu úp và gàu ngoạm. Loại gàu úp (Hình 2.8-d) thường dùng để xúc
đất đá mềm, ngậm nước hoặc đất đá cứng được làm tơi vụn tốt. Loại gàu ngoạm (Hình 2.8-e)
được dùng trong khai thác cát, sỏi ngập nước; nạo vét lịng sơng; bốc chuyển than ở nhà sàng,
bến bãi.
d) Máy chất tải (máy bốc): là thiết bị xúc bốc phụ trợ (Hình 2.8-c), có thơng số làm việc
nhỏ và lực xúc yếu. Đặc điểm của máy chất tải là thân máy không quay tương đối được so với
bộ phận di chuyển, lực xúc của máy được tạo nên nhờ sự tiến về phía trước của bộ phận di
chuyển và có thể làm việc với chức năng vận tải với cự ly di chuyển ngắn (200300 m). Máy
chất tải có tính cơ động cao, được dùng để xúc bốc phụ đất đá được làm tơi vụn tốt, xúc bốc
than trong đống, di chuyển thành phẩm trên bãi chế biến phân loại,…
e) Máy xúc tải (máy cạp): là thiết bị được dùng để xúc và vận tải đất đá mềm hoặc đất
đá cứng được làm tơi vụn tốt với cự ly trung bình (dưới 1,52 km). Đặc điểm của máy xúc tải

20


là miệng gàu xúc được lắp trực tiếp phía dưới thùng xe hoặc gàu xúc vừa làm chức năng
thùng xe, mà khơng có cần và tay gàu như máy xúc (Hình 2.8-k).
f) Máy ủi: là thiết bị phụ trợ trên mỏ lộ thiên, được dùng để làm đường, san gạt mặt
bằng, đánh đống đất đá và quặng,…Đôi khi máy ủi cũng được dùng với chức năng như một
thiết bị xúc bóc như đẩy đá trên các tầng khai thác xuống chân tuyến trong hệ thống khai thác
theo lớp xiên-xúc chuyển khi khai thác đá xây dựng; bóc và chuyển đất đá phủ ra bãi thải trên
các điểm khai thác lộ vỉa;… Máy ủi có 2 loại: di chuyển bằng xích và bằng bánh lốp. Trên các

mỏ lộ thiên chủ yếu dùng loại di chuyển bằng bánh lốp (Hình 2.8-l).
g) Máy khoan than: cũng được coi như một thiết bị xúc bóc đặc biệt, chuyên dùng để
tận thu than ở những vỉa mỏng hoặc ở trụ bảo vệ. Máy khoan than có đặc điểm là khấu và vận
chuyển than ra khỏi vỉa bằng mũi khoan xoắn ruột gà theo phương nằm ngang hoặc dốc thoải
(Hình 2.8.m).
h) Máy xúc nhiều gàu: là thiết bị xúc bóc làm việc liên tục. Máy xúc nhiều gàu gồm 2
loại: khung xích và rơto. Máy xúc nhiều gàu kiểu khung xích có các gàu gắn trên một xích
khép kín chạy quanh một khung định hướng nhờ các bánh răng dẫn động ở 2 đầu khung.
Trong quá trình làm việc, xích chuyển động liên tục, hành trình của nhánh dưới là cắt và chất
đầy đất đá vào các gàu xúc, hành trình của nhánh trên là dỡ đất đá ra khỏi gàu. Bun ke nhận
tải nằm ở dưới đầu phía trên của khung định hướng (Hình 2.8-g). Máy xúc nhiều gàu kiểu
rơto có các gàu gắn trên một bánh quay lớn. Bánh quay quay quanh trục nằm ngang ở đầu
khung treo. Trong quá trình quay của bánh quay, các gàu ở nửa hành trình đi lên cắt và chất
đầy đất đá vào gàu, còn các gàu ở nửa hành trình đi xuống thì dỡ đất đá vào băng tải đặt dọc
theo khung treo để đưa về băng tải chính. Lực cắt của máy xúc rơto khơng lớn nên chỉ được
dùng để xúc đất đá và KSCI mềm, tơi vụn (Hình 2.8-h).
Cũng xuất phát từ nguyên lý phá vỡ đất đá như búa đập thuỷ lực, nhà máy chế tạo máy
mỏ Uran (LB Nga) đã nghiên cứu thành cơng và đưa vào thử nhiệm có hiệu quả máy xúc có
răng gầu tích cực. Người ta thay thế các răng gầu cố định bằng những răng gầu hoạt động tích
cực (theo nguyên lý búa chèn) với năng lượng một lần đập của răng gầu vào đất đá với 2 KJ.
Hiện đã có nhiều mỏ lộ thiên khai thác vật liệu xây dựng và phi quặng khác ở vùng ngoại ô
Matxcơva, có đất đá với độ kiên cố f <12 (theo thang phân loại của Protođiacônov) đang sử
dụng hiệu quả loại máy xúc này (ЭКГ-5Ƃ, dung tích gàu 5 m3) để xúc bóc đất đá mà khơng
cần làm tơi sơ bộ bằng khoan nổ mìn. Nhà máy Uran đang tiến hành chế tạo máy xúc có răng
gàu tích cực dung tích gàu 12 m3 (ЭКГ-12Ƃ) theo đơn đặt hàng của các mỏ lộ thiên khai thác
than và quặng khác trong liên bang.
a)

b)

c)

e)
d)

g)

k)

h)

l)

m)

Hình 2.8. Các phương tiện cơ giới hố khâu xúc bóc trên mỏ lộ thiên

21


a- máy xúc tay gàu; b- máy xúc thuỷ lực; c- máy chất tải; d- máy xúc gàu treo;
e- máy xúc gàu ngoạm; g- máy xúc nhiều gàu khung xích; máy xúc nhiều gàu rôto;
k- máy xúc tải; l- máy ủi; m- máy khoan than.
Trong những năm gần đây nhiều mỏ lộ thiên của CHLB Đức, Mỹ, Ôxtrâylia, Italia, LB
Nga, Nhật Bản, Pháp, Iran, Bồ Đào Nha, Ấn Độ, Anh, Philipin, Hy lạp, Mehicô, Áo, Đan
Mạch, Hà Lan đã sử dụng máy phay cắt liên hợp để khấu trực tiếp đất đá có độ cứng f=12
(tương đương độ bền nén 120 MPa) mà khơng cần khoan nổ mìn. Theo đánh giá của một số
chuyên gia khai thác mỏ Châu Âu thì khi sử dụng máy phay cắt liên hợp để cắt trực tiếp đất
đá làm giảm được tổn thất, và làm bẩn quặng, cỡ hạt đất đá phá ra đều thuận lợi cho vận tải
băng tải, nâng cao độ ổn định bờ mỏ, giảm ô nhiễm môi trường, giảm chi phí xúc bóc - vận tải

đến 23 lần so với cơng nghệ truyền thống.
Hiện nay đã có nhiều hãng máy mỏ chế tạo máy phay cắt liên hợp như Wirtgen, Kurpp,
Man Takraf (CHLB Đức), Huron (Mỹ), Voest Alpine (Áo), Dosco (Anh),... Nguyên lý làm
tơi đất đá của máy phay cắt liên hợp được thể hiện như trong hình 2.9.
Các máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen được chế tạo và phát triển từ năm 1988,
như Wirtgen 1900SM, Wirtgen 2600SM, Wirtgen 3000SM,…. Ví dụ máy Wirtgen mã hiệu
1900SM có cơng suất động cơ 280 kW; chiều rộng luồng cắt 1900 mm; chiều rộng luồng cắt
160 mm; đường kính bánh xe có mũi dao cắt 812 mm; tốc độ cơng tác 10 m/ph; trọng lượng
máy 27 tấn; bán kính quay 20 m; năng suất lý thuyết băng tải dốc 20 o là 1400 m3/h; chiều cao
rót 3800 mm; năng suất lý thuyết của cơ cấu căt đá là 130 tấn/h. Hiện nay máy phay cắt liên
hợp 4200SM của hãng Wirtgen là thiết bị có cơng suất tới 1600 kW, nặng 191 tấn; có thể làm
tơi đất đá có độ cứng f = 12 với dải khấu có chiều dày 0,8 m và chiều rộng 4,2 m; đạt năng
suất 475 t/h (đối với đất đá có f = 8).

Hình 2.9: Sơ đồ làm việc của máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen
Máy phay cắt liên hợp mã hiệu VASM được chế tạo tại nhà máy Voest Alpine từ năm
1992. Thiết bị di chuyển bằng bánh xích với cần dài được lắp hệ thống dao cắt được điều
khiển bằng thuỷ lực. Quá trình cắt đá liên tục theo gương bên hơng, được gom lại và đưa vào
hệ thống vận tải bằng băng tải, ví dụ như chiếc VASM-2D có lực cắt lên đến 100 MPa, tốc
độ cắt 60180 m/s và năng suất đạt 1600 tấn/h.
Xu hướng chuyển đổi các thiết bị xúc bóc và vận tải có cơ cấu cơng tác hoạt động theo
chu kỳ sang thiết bị có cơ cấu cơng tác hoạt động liên tục tuy đã được khẳng định, nhưng tính
phổ cập của chúng chưa cao mà chỉ hạn chế sử dụng trên một số mỏ (các mỏ than nâu, một
vài mỏ sa khoáng,...) hoặc ở một vài bộ phận sản xuất không chủ chốt (vận tải than trong mỏ,
vận tải thành phẩm ở trạm gia công chế biến,...) trong khi đó thì xu hướng mở rộng cơng suất
của thiết bị xúc bóc và tăng tải trọng thiết bị vận tải đang được các nhà chế tạo máy mỏ và
người sử dụng hưởng ứng ngày càng đông với yêu cầu ngày một cao.

22

Hình 2.10. Sơ đồ làm việc của máy phay cắt liên hợp hãng Voest Alpine 2D
Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật một số một số máy phay cắt liên hợp trên thế giới

Hệ thống

Nhà sản xuất

Khả năng
cắt một trục,
MPa

Chiều sâu
cắt, m

Tốc độ cắt,
m/ph

Năng suất
lớn nhất,
tấn/h

BWE

Takraf
Voest Alpine

25

0,20,7

-

1000

Phá,
nghiền

Writgen/ Huron

100

0.0 0,6

025

2500

Cắt

PWH C-Miner

150

1,82,5

010

2100

Quay,
Dao động

Voest-Alpine
VASM-2D

100

-

60180

1600

Phần lớn các mỏ lộ thiên thế giới ngày nay đều sử dụng MXTG có dung tích gàu xúc
1015 m3 và lớn hơn để đồng bộ với ô tô tải trọng 75120 tấn và lớn hơn. Ngay ở LB Nga
trong năm 1991, tổng dung tích gầu dưới 10 m3 chỉ chiếm 18%, cịn lại (82%) là dung tích
gàu từ 10100 m3.
Bảng 2.3. Đặc tính kỹ thuật của một số MXTG cỡ lớn
Hãng,
mã hiệu
290-BII
295-BII
395-BII
495-B

E, m3

16,72
22,8

32,68
40,28

Hdmax, m

8,86
8,91
9,6
9,45

1960-AL
2100-BL
2100-BLE
2300-XPA
2800-XPA
4100
5700-XP

10,64
13,68
15,20
20,52
34,96
42,56
53,20

9,75
9,65
9,65
9,91

10,46
10,04
13,26

151-M

7,6

6,78

Rdmax, m
Busirus-Eric
17,22
17,6
20,42
20,42
P&H
16,15
17,53
17,53
18,7
19,5
20,02
25,48
Marion-Presser
13,26

23

Rxmax, m

N, kW

P, tấn

14,15
14,86
16,15
16,15

1750
2333
2662
2662

542
732,5
963
1066,8

14,63
14,43
14,73
15,39
16,36
16,94
20,73

1228
1562

2334
3541
4411
4910
4347

378,7
585,8
494,4
704
946,6
1077,3
1768,5

10,74

893,7

213,6


182-M
191-M
192-MII
201-M
204-M
301-M

9,88
12,92

15,20
20,55
25,84
41,04

8,08
8,66
8,66
9,52
13,31
10,06

14,88
16,46
16,46
17,63
16,76
19,84

13,03
14,86
14,86
15,95
15,24
17,5

1509
2087
2348
2610

2882
3428

330,7
499,8
499,8
664,5
703
1043,2

Chú thích: E- dung tích gàu xúc; Hdmax- chiều cao dỡ lớn nhất; Rdmax- bán kính dỡ lớn
nhất; Rxmax- bán kính xúc lớn nhất; N- cơng suất động cơ; P- trọng lượng của máy.
Khâu xúc bóc và chất lên phương tiện vận tải có thể dùng máy xúc (máy xúc nhiều gàu,
máy xúc một gàu, máy xúc tải, máy chất tải), máy khoan xoắn ruột gà hoặc các thiết bị thuỷ
lực (máy khuấy, máy bơm bùn, súng bắn nước, tàu cuốc).
Về MXTG, đáng kể nhất là những cải tiến của hãng máy mỏ P&H về cấu trúc hình học
của máy, bộ chương trình kỹ thuật số tự động điều khiển chế độ làm việc của động cơ, hệ
thống làm mát, hệ thống đối trọng, bộ kiểm soát nhiệt độ và độ rung của máy, thiết bị điện tử
bảo vệ cần xúc,... cho loại máy xúc 4100-XPB dung tích gầu 52 m3 dẫn đến giảm 12 % tải
trọng ở các bộ phận dẫn động, momen quay tăng 30 %, chu kỳ xúc khi góc quay 90 o chỉ cịn
29 s. So với các máy xúc cùng dung tích gàu thì 4100-XPB có tốc độ làm việc cao hơn 40 %. Tại
mỏ than Wioming (Mỹ), máy xúc này đã đạt kỷ lục về năng suất bóc đất đá 26,7 triệu m3/năm.

Hình 2.11. Máy xúc tay gàu mã hiệu 4100 - XPB của hãng P&H
Tương tự như MXTG, sau 3 năm nghiên cứu thử nghiệm, năm 2001 hãng chế tạo máy mỏ
P&H (Mỹ) đã cho ra đời chiếc máy xúc gàu treo 2570-WS chạy bằng động cơ dẫn động cơ khí có
trang bị hệ thống chuẩn đốn điện tử phát tín hiệu khi có sự cố hỏng hóc và hệ thống điều khiển hiện
đại với dung tích gầu 120 m3, chiều dài cần tới 128 m, trọng lượng tổng cộng của máy tới 7271 tấn.

Hình 2.12. Máy xúc gàu treo mã hiệu 2570-WS của hãng P&H

24