Bài giảng Cơ giới hóa công tác chuẩn bị đất đá trong khai thác mỏ lộ thiên (Dùng cho trình độ Thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH

BÀI GIẢNG
CƠ GIỚI HĨA CÔNG TÁC CHUẨN BỊ ĐẤT
ĐÁ TRONG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN
(DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ)

Quả ng Ninh, 2018
1


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

BÀI GIẢNG
CƠ GIỚI HĨA CƠNG TÁC CHUẨN BỊ ĐẤT
ĐÁ TRONG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN
(DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ)

Quảng Ninh, năm 2018
2


Chương 1.
Khái quát chung về phương pháp chuẩn bị đất đá bằng cơ giới
1.1 Khái quát chung về các phương pháp chuẩn bị đất đá khơng nổ mìn
1.1.1 Các phương pháp phá vỡ đất đá khơng nổ mìn
1. Khái niệm chung
Phần lớn đất đá mỏ có độ cứng lớn, khơng thể trực tiếp xúc chúng mà phải tiến
hành làm tơi sơ bộ, tức là tiến hành tách chúng ra khỏi ngun khối và đập vỡ chúng.
Đó là khâu cơng nghệ đầu tiên trong dây chuyền sản xuất trên mỏ lộ thiên.

Việc chuẩn bị đất đá để xúc bốc có thể tiến hành theo phương pháp sau:
- Phương pháp cơ giới hoá (máy xới, búa thuỷ lực, máy phay cắt,…);
- Phương pháp khoan - nổ mìn;
- Phương pháp dùng sức nước (súng bắn nước, ống thấm rã…);
- Phương pháp vật lý (dòng điện cao tần, dòng thấp tần, nhiệt, hạt nhân…);
- Phương pháp hoá học.
Việc lựa chọn phương pháp chuẩn bị đất đá để xúc bốc trước hết phụ thuộc vào
những tính chất và cấu tạo của đất đá mỏ (tính chất cơ lý, tính chất hố, thế nằm, cấu
trúc vỉa, kiến tạo…), công suất của mỏ lộ thiên, thiết bị sử dụng và các yêu cầu về chất
luợng sản phẩm mỏ (thành phần, cỡ hạt, hàm lượng thành phần có ích…). Ngồi ra
cịn phải quan tâm tới những u cầu về ổn định bờ mỏ, ổn định định sườn tầng trong
q trình là việc của mỏ. Thơng thường, phương pháp chuẩn bị đất đá để xúc bốc bằng
khoan - nổ mìn được sử dụng phổ biến nhất, sau đó là phương pháp cơ giới. Phương
pháp sức nước cũng được dùng trong một số trường hợp. Các phương pháp còn lại ít
được sử dụng do giá thành cao, công suất nhỏ hoặc nguy hiểm như sử dụng năng
lượng hạt nhân.
2. Các phương pháp phá vỡ đất đá khơng nổ mìn
a. Làm mềm đất đá bằng phương pháp hóa lý
Trong cơ chế thị trường với những cuộc đấu tranh nghiệt ngã về giá cả, buộc các
mỏ lộ thiên phải thực hiện các biện pháp nâng cao chất lượng sản phẩm mỏ và giảm
chi phí sản xuất, cũng như giảm vốn đầu tư cơ bản bằng cách áp dụng các giải pháp
mới trong kỹ thuật và công nghệ khai thác mà phương pháp điều khiển thuộc tính cấu
trúc độ bền của đất đá bóc là một trong những giải pháp đó. Trong điều kiện mỏ có đất
đá cứng vừa thì có thể tiến hành xúc bóc trực tiếp mà khơng cần nổ mìn nhờ xử lý khối
đá bằng dung dịch làm mềm trên cơ sở các hoạt chất bề mặt, còn đối với mỏ có đất đá
cứng thì tiến hành chuẩn bị bằng cách phối hợp khoan nổ với dung dịch làm mềm.
Bằng cách đó cho phép giảm đáng kể chi phí khoan nổ, cải thiện chất lượng đá cho
khâu xúc bốc, nâng cao năng suất máy xúc, giảm chi phí năng lượng, cải thiện các chỉ
tiêu môi sinh và dẫn đến giảm chi phí sản xuất.
Hiện nay, trên các mỏ khai thác lộ thiên, hơn 80 % khối lương đất đá mỏ cần

phải làm tơi sơ bộ để có thể xúc bốc bằng các máy xúc hiện có. Việc làm tơi đất đá

3


bằng khoan - nổ mìn phải sử dụng một chỉ tiêu thuốc nổ tới 0,4  0,5 kg/m3, đồng thời
phải cần tới một số lượng lớn thiết bị khoan, phương tiện vận tải và công nhân phục
vụ làm cho chi phí khoan - nổ chiếm từ 25  30 % giá thành chung. Hơn nữa khi tiến
hành nổ mìn sẽ làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng khoáng sản khai thác do sự trộn lẫn
đất đá và KSCI ở lớp tiếp xúc giữa chúng.
Công tác khoan, đặc biệt là nổ mìn có ảnh hưởng xấu đến mơi trường xung
quanh. Kết quả thực nghiệm trên các mỏ lộ thiên nước ngoài cho thấy cứ 1m3 đất đá
nổ mìn tung vào khí quyển trung bình 20 g bụi, 1 kg thuốc nổ phát tán vào khí quyển
100 lít khí độc hại. Các chất độc hại từ bãi mìn có thể lan xa với khoảng cách trên 20
km. Khối lượng của đám mây bụi khí khi nổ mìn chứa với lượng thuốc nổ trên 30 tấn
đạt trên 19 triệu m3. Chiều dài phân bố của đám mây đạt từ 7  15 km và lớn hơn.
trong đám mây có chứa khí độc lớn nhất là ơxit nitơ, khí độc này tồn tại trong khí
quyển tới 15 ngày. Mặt khác, để đảm bảo an tồn khi tiến hành nổ mìn u cầu phải
ngừng sản xuất mỏ theo chu kỳ và chuuyển thiết bị ra khỏi vùng ảnh hưởng của cơng
tác nổ mìn, dẫn đến giảm năng suất thiết bị. Rõ ràng là bằng phương pháp giảm độ
bền của đất đá để có thể xúc bốc trực tiếp mà không cần làm tơi sơ bộ bằng nổ mìn,
dẫn đến giảm chi phí ngun vật liệu và cải thiện đáng kể điều kiện sinh thái của khu
vực.
Đất đá mỏ là các vật thể xốp có nguồn gốc tự nhiên với cấu trúc và thành phần
hoá học rất đa dạng. Sự tác động tương hỗ của các vật thể xốp này xảy ra trong mơi
trường biến tính nhờ thuộc tính đặc biệt của bề mặt. Trong các khoảng trống của đất
đá xuất hiện các quá trình thấm, tẩm ướt, sự hấp phụ, sự ngưng kết mao dẫn, các hiện
tương điện động học v.v… Các quá trình trao đổi đó phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất
đá mỏ, cũng như tính quy luật và cơ chế hấp phụ của các quá trình phá huỷ, biến dạng
đất đá mỏ.

Sự tác động tương hỗ của các phần tử chất lỏng trên bề mặt đất đá dẫn đến sự
thay đổi lực tương tác giữa các phần tử, cấu trúc và độ bền của hệ thống xốp. Do vậy,
khi bổ sung chất phụ gia vào môi trường phân tán này sẽ làm thay đổi điện tích hay
tính háo nước bề mặt của các phân tử. Các chất phụ gia này có thể là muối, ơxit, chất
kiềm hoặc chất hoạt tính bề mặt hữu cơ.
Vai trị của chất hoạt tính bề mặt trong q trình tác động qua lại hố - lý của các
dung dịch nước với bề mặt đất đá rất đa dạng. Trước hết, chất hoạt tính bề mặt làm
tăng tính háo nước của bề mặt đất đá, tạo khả năng thấm ướt bề mặt vật liệu, đặc biệt
là các lỗ nhỏ, đảm bảo sự hình thành các màng mỏng thấm ướt và hấp thụ nước trong
đất đá. Bằng cách như vậy, chúng tạo ra khả năng vận chuyển nước và nhờ các cation
hyđrát hố chưa trong đó mà dãn tới sự hình thành màng dung dịch thấm ướt, điều này
làm xuất hiện các lực bề mặt. Sự hấp thụ phân tử hay ion chất hoạt tính bề mặt trên bề
mặt đất đá có thể tạo khả năng dẻo hố vật liệu.
Sự tác động qua lại của đất đá mỏ với mơi trường nước xảy ra nhờ q trình thấm
và hút. Dung dịch nước khi thấm theo các kẽ nứt, do sự mao dẫn làm lấp đầy không
gian lỗ hổng của đất đá. Trong quá trình thấm và hút của dung dịch trên bề mặt vật liệu
đất đá hình thành một màng thấm ướt làm thay đổi mật độ dung dịch và có thể dẫn đến
thay đổi cấu trúc của đất đá xốp.

4


Thực nghiệm chỉ ra rằng để xử lý các bề mặt phía trong và phía ngồi nhằm lấp
đầy khoảng trống trong đất đá mỏ, đồng thời làm mềm có hiệu quả chúng cần sử dụng
dung dịch nước có ứng suất thấm ướt cao tuỳ theo từng loại đất đá cụ thể. Các dung
dịch đó có thể là dung dịch chứa chất hoạt tính bề mặt và các chất phụ gia khác có
chứa các cation và nồng độ pH cao.
Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy việc làm mềm alêvrơlit có thể đạt 50 %, cịn
đất đá cứng khơng lớn hơn 35 %. Khi đó hệ số dịn của đất đá (tỷ số giữa độ bền nén
và độ bền kéo) sau quá trình tác động làm mềm của dung dịch được tăng lên.

Ngoài ra, sự bão hoà các lỗ rỗng của đất đá làm giảm tương đối mức độ tạo thành
bụi khi phá huỷ. Sự giảm độ bền của đất đá bằng dung dịch làm mềm cũng dẫn đến
làm giảm đáng kể sự mài mòn các dụng cụ phá huỷ đất đá. Ở áp suất nhất định có thể
làm giảm sự mài mòn kim loại khoảng 2 lần, còn hợp kim cứng 5 lần.
Các thực nghiệm công nghiệp trên các mỏ lộ thiên của Nga cho thấy, mặc dù
không dùng khoan nổ mìn, nhưng chi phí năng lượng cho khâu xúc bốc giảm xuống
nhiều. Năng lượng trung bình phá huỷ khối đá khí làm mềm bằng phương pháp hố lý khơng vượt quá 65 kWh/t, trong khi làm tơi bằng phương pháp khoan nổ mìn là 90
kWh/t, cịn đối với đá nguyên khối là lớn hơn 180 kWh/t. Năng suất máy xúc rôto tăng
từ 3200 lên 4300 t/h khi khai thác khối đá được làm mềm bằng phương pháp hoá - lý.
Sự tạo thành bụi khi phá huỷ và xúc bốc cũng giảm tới 30  35 %.
Để chuẩn bị cho xúc bốc đất đá cứng trong trường hợp làm mềm bằng phương
pháp hố - lý khơng đạt được mức độ cần thiết cho máy xúc làm việc cần sử dụng
phương pháp phối hợp - đó là làm mềm bằng phương pháp hố lý kết hợp khoan nổ
mìn. Trong trường hợp này mức tiết kiệm thuốc nổ có thể đạt tới 30  35 %, cải thiện
được điều kiện sinh thái, giảm khối lượng khoan, cải thiện được chất lượng chuẩn bị
đống đá cho để xúc bốc (giảm cỡ hạt đất đá tới 30 % so với khoan nổ mìn thơng
thường), giảm chi phí năng lượng, cải thiện các chỉ tiêu sinh thái và dẫn đến giảm chi
phí sản xuất. Khi đó sự làm mềm hố - lý được xem như là một trong những yếu tố
điều khiển các thông số khoan nổ mìn nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khoan - nổ,
giảm ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái.
Thực tế cũng cho thấy phương pháp làm mềm đất đá bằng hoạt tính bề mặt sẽ giữ
cấu trúc vĩ mô, nên đảm bảo giảm tổn thất và làm bẩn khống sản có ích trong q
trình khai thác.Với mục đích để xác định mức độ làm mềm và các thông số công nghệ
mẫu, trên một số mỏ khai thác lộ thiên của LB Nga đã tiến hành thử nghiệm chuẩn bị
đất đá cứng để xúc bốc bằng phương pháp kết hợp và đưa ra trật tự tiến hành cùng các
thông số cơ bản sau:
1 - Khu vực xúc được khoan thành các lỗ khoan theo mạng 8x8 m (thay cho
mạng 6.5x6,5 m). Giữa các mạng lỗ khoan nổ mìn tiến hành khoan các lỗ khoan phụ
với độ sâu bằng 1/3 chiều cao tầng.
2 - Dung dịch làm mềm bao gồm khối lượng chất hoạt tính bề mặt là 0,1 % NaCl

hay Na2CO3 là 0,5 % (phụ thuộc vào hàm lượng cacbonat có trong đất đá). Chỉ tiêu
của dung dịch đối với công nghệ đã nêu không vượt quá 12 l/m3 đất đá. Dung dịch
được chia theo lỗ khoan phụ.

5


3 - Giữ nguyên khu vực trong ngày sau khi nạp dung dịch.
4 - Nạp thuốc nổ vào trong các lỗ khoan. Chỉ tiêu thuốc nổ giảm từ 0,41 kg/m3
xuống còn 0,28 kg/m3 nhờ mở rộng mạng lỗ khoan.
5 - Tiến hành nổ mìn.
6 - Có thể tiến hành xúc bóc bằng MTTG. Bằng phương pháp này có thể tiết kiệm
cho công tác khoan là 10 % và thuốc nổ là 3040 % so với phương pháp thông thường.
Đây là một trong những giải pháp công nghệ mới làm tơi đất đá khơng chỉ giảm
chi phí cho việc bóc 1m3 đất đá, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác mà cịn là một
trong những giải pháp tích cực nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường khai thác mỏ lộ
thiên. Sự ra đời của giải pháp công nghệ này được coi như là một đột biến lớn làm
thay đổi về chất đầu tiên của dây truyền sản xuất trên mỏ lộ thiên.
b. Chuẩn bị đất đá bằng công nghệ đặc biệt
Tờ Ugol số 10 xuất bản năm 1995 (LB Nga) thông báo rằng người ta đã nghiên
cứu thành công chất phá đá NPV-7B bao gồm vôi sống và 2/3 chất phụ gia trộn với tỷ
lệ 36 % để phá vỡ đất đá mà khơng cần nổ mìn. Các lỗ khoan được bố trí trong mạng
theo các thơng số xác định, sau đó bơm đầy bơm đầy dung dịch NPV-7B với nước. Do
phản ứng hố học chất này đơng kết và trương nở tạo áp lực lớn lên thành lỗ khoan.
Khi áp lực này vượt giới hạn bền của đất đá vây quanh thì bắt đầu xuất hiện các nứt nẻ
trong khối đá. Q trình hyđrat hố làm áp suất tiếp tục tăng dẫn đến sự mở rộng dần
khe nứt cho đến khi khối đá bị phá vỡ hoàn toàn. Quá trình hoạt động của NPV-7B
khơng gây chấn động, khơng bụi, khơng xả khí độc vào mơi trường. Phương pháp này
gọi là công nghệ phá đá sạch ở nhiệt độ thấp.
Gần đây, công ty Cardox International đã chế tạo thành công thiết bị phá đá

Cardox Tube. Thiết bị này sử dụng khí đioxit cacbon để tạo ra một lực nén cực mạnh
làm rạn nứt và phá vỡ bề mặt khối đá đồng thời nâng các tảng đá bị phá vỡ lên trên bề
mặt. Cardox Tube làm việc hiệu quả không thua kém gì so với việc dùng thuốc nổ,
khơng bụi rất an tồn người vận hành khơng cần tránh xa như nổ mìn. Lần đầu thiết bị
này được sử dụng để phá vỡ các mỏ than có nguy cơ về cháy nổ, nhưng hiện nay nó
được dùng trong các mỏ khai thác quặng, vật liệu xây dựng,… ở Anh và nhiều nước
khác.
1.1.2 Các thiết bị cơ giới có khả năng phá vỡ trực tiếp đất đá
1. Làm tơi đất đá bằng máy xới
a. Khả năng công nghệ của máy xới trong khai thác mỏ
Máy xới thực chất là máy kéo bánh xích, phía sau máy được lắp một bàn xới có
1  5 răng, phía trước là lưỡi gạt (Hình 1.1). Để xới đất đá cứng thường dùng một răng,
để xới đất đá đặc xít thường dùng bàn xới có lắp nhiều răng nhằm tăng năng suất của
máy xới. Những hãng thiết bị hàng đầu chế tạo thiết bị này là Caterpillar (Mỹ) và
Komatsu (Nhật Bản),…

6


Hình 1.1. Máy xới D-11N của hãng Caterpillar
Việc sử dụng phương pháp gắn treo lưỡi xới phía sau đầu kéo là một biện pháp
mới, đồng thời với việc sử dụng các hệ thống thuỷ lực và các loại đầu kéo có cơng suất
lớn đã làm tăng năng suất và hiệu quả thiết bị này. Theo cơng suất động cơ có thể chia
ra :
- Máy loại nhỏ:

N < 100 kw

- Máy loại trung bình: N = 100  200 kw
- Máy loại lớn:

N = 200  400 kw

- Máy loại rất lớn:

N > 400 kw

Chiều sâu xới từ 0,4  0,5 m đến 1,8  2,0 m tuỳ thuộc vào tính chất đất đá và kiểu
máy. Sau mỗi lượt xới đất đá được bàn gạt vun lại và dùng máy bốc hoặc máy xúc chất
lên ô tô để vận chuyển đi.
Trong những năm gần đây, từ kết quả đạt được với những lợi ích to lớn của nó,
việc làm tơi đất đá bằng máy xới thay cho công tác khoan - nổ mìn truyền thống đã trở
nên phổ biến. Việc sử dụng máy xới để chuẩn bị đất đá cho xúc bốc cho phép bóc
chọn lọc tốt các thân khống và lớp đất đá mỏng, giảm tổn thất và làm bẩn KSCI trong
quá trình khai thác, điều chỉnh tốt cỡ đá, loại trừ sóng chấn động tới bờ mỏ, nâng cao
ổn định bờ mỏ, nâng cao góc bờ kết thúc, giảm khối lượng đất đá bóc, giảm chi phí và
nâng cao hiệu quả khai thác, công tác mỏ được tiến hành an tồn. Ngồi ra, cịn làm
tăng hiệu quả sử dụng của máy ủi, máy bốc, máy xúc. Đồng thời cũng giảm chi phí
làm tơi, góp phần tăng hiệu quả khai thác khoáng sản. Máy xới làm việc hiệu quả khi
khai thác than, quặng phôtphorit, aptit, diệp thạch, cát kết, bột kết, đá vơi cứng vừa,
cũng như khống sàng, đất đá nứt nẻ nhiều và có cấu tạo phân lớp.
Kinh nghiệm sử dụng cho thấy, hiệu quả làm tơi của máy xới phụ thuộc vào công
suất máy, áp lực lên bánh xích, góc cắm răng vào đá, độ bền và mức độ nứt nẻ của đất
đá, thế nằm của lớp đá và hướng mặt lớp. Đối với đất đá có độ kiên cố nhỏ hoặc trung
bình (f  7  8) nứt nẻ mạnh từ cấp I  III với độ cứng âm học  2000 m/s (đặc biệt là

7


loại có độ cứng âm học dưới 1500 m/s) có thể sử dụng máy xới để làm tơi thay thế

hoàn tồn cơng tác khoan - nổ mìn với giá thành rẻ hơn 50  60 % . Để xới loại đá
cứng vừa, cần dùng máy xới có cơng suất lớn trên 200 kW, tới 500 kW. Lưỡi xới và
bàn gạt được điều khiển bằng thuỷ lực. Việc sử dụng máy xới phổ biến ở LB Nga,
CHLB Đức, Mỹ, Nhật Bản,… Máy xới lớn nhất hiện nay là D575A-3 của hãng
Komatsu (Nhật Bản) có cơng suất 828 kW.
Máy xới làm tơi và vụn đống đất đá để cho máy bốc, máy xúc hoặc máy cạp xúc
và chuyển tải ra bãi thải. Các yếu tố tự nhiên có ảnh hưởng tới khả năng xới của máy
là độ cứng và sự nứt nẻ của đá. Đá càng bền vững và càng ít nứt nẻ, càng địi hỏi máy
có cơng suất lớn. Trước đây khoảng 30 năm, chỉ có thể xới được những loại nham
thạch có tốc độ truyền âm trong khối dưới 2300 m/s. Những thập niên qua, máy xới
càng hồn thiện, cơng suất động cơ của máy ngày càng lớn, cho đến nay đã xới được
những nham thạch có tốc độ truyền âm tới 3800 m/s (tốc độ truyền âm là một thông số
vật lý tổng hợp của nham thạch: đá càng bền vững, càng ít nứt nẻ, tốc độ truyền âm
càng lớn).
Giữa tốc độ truyền âm của nham thạch và công suất động cơ của máy xới có mối
quan hệ tương đối chặt chẽ (với hệ số tương quan r = 0,93 ) như sau:
N = 0,19 Ve - 60 , kW

(1-1)

Trong đó: Ve - tốc độ truyền âm dọc của đất đá, m/s. Công thức thực nghiệm
đúng trong giới hạn 800 m/s  Ve  3500 m/s. Tương ứng với cơng suất động cơ trên
máy xới có trọng lượng G (gồm cả bộ phận xới):
G = 0,172N – 0,46 , tấn (với r = 0,98).

(1-2)

Công thức này nghiệm đúng trong giới hạn 223 kW  N  745 kW.
Như vậy, khi sử dụng phương pháp làm tơi bằng máy xới cần nắm được 2 thông
số cơ bản của thiết bị (công suất động cơ N và trọng lượng máy G) và tốc độ truyền

âm của nham thạch (Ve).

Hình 1.2. Sản lượng của máy xới phụ thuộc vào công suất máy N và
tốc độ truyền âm Ve

8


Nếu đất đá có tốc độ truyền âm trên 2000 m/s thì các loại máy xới D9R, D10R,
D11R của hãng Caterppilar (Mỹ) hoặc D275A, D375A, D475A, D575A của Komatsu
(Nhật Bản) và các máy xới T-500, T-75-01 của LB Nga mới có thể xới được.
Các loại đá thuộc trầm tích chứa than như: ácgilit, bột kết, cát kết, cuội kết nếu
tốc độ truyền âm không quá 2500  3000 m/s đều có thể làm tơi bằng máy xới D11R
thay thế cho cơng tác khoan - nổ mìn.
b. Cơng nghệ xới đá cứng
Các thông số của bộ phận công tác của máy xới gồm góc cắt  , góc nhọn đầu
răng cắt  , góc sau  , chiều dày và chiều dài của răng, khoảng cách giữa các răng
(Hình 1.3).
Góc nhọn đầu răng xới  thường bằng 20  30o. Góc  phải chọn sao cho để
ngập răng với góc sau  = 5  7o khi xới đá cứng và cứng vừa. Việc giảm góc  sẽ dẫn
đến hiện tượng vò nát ở mặt sau của đầu răng xới, làm tăng độ mài mòn cũng như làm
tăng sức cản của đất đá khi xới. Chỉ tiêu xới phụ thuộc vào góc cắt  . Máy đạt hiệu
quả cao nhất với góc cắt 45  52,5o.

Hình 1.3. Sơ đồ bộ phận
làm việc của răng xới

Khi máy xới làm việc thì đất đá bị phá vỡ trong giới hạn rãnh đào hình thang
(Hình 9.4). Trong đống đất đá đồng nhất ở phần dưới của rãnh đào được tạo nên một
rãnh con chiều rộng đáy là b’ gần bằng chiều rộng của đầu răng xới b, còn chiều cao hr

=(0,15  0,2)hn , trong đó hn là chiều cao ngập răng. Góc nghiêng của thành rãnh đào 
thay đổi từ 40  60o tuỳ thuộc vào mức độ khó xới của đất đá. Việc xới đất đá nứt nẻ
chủ yếu do sự khắc phục liên kết theo bề mặt tiếp xúc giữa các khối đất đá. Đất đá bị
phá vỡ mạnh trong giới hạn chiều sâu ngập răng (Hình 1.4).
Mức độ khó xới của đất đá được xác định bằng khả năng ngập sâu của răng xới
hn và độ cứng cũng như độ nứt nẻ của đất đá trong khối. Quá trình phá vỡ trong đất đá
đồng nhất chủ yếu xẩy ra do khắc phục sức cản kéo của nó, với trong đất đá nứt nẻ do
khắc phục lực liên kết.
Quá trình xới đất đá của máy xới được tiến hành chủ yếu theo 3 sơ đồ cơ bản sau
đây:
- Xới đất đá theo lớp ngang, sau đó xúc chuyển bằng máy cạp hoặc dùng máy
xúc, máy bốc chất lên ô tô.

9


- Xới đất đá theo lớp ngang, sau đó dùng máy ủi gạt đất đá xuống mặt tầng dưới,
sau đó dùng máy bốc hoặc máy xúc chất lên ô tô.
- Xới đất đá theo lớp nghiêng (  < 20o), theo hướng từ trên xuống dưới. Chiều dài
luồng xới hợp lý trong khoảng 70  90 m.

Hình 1.4. Sơ đồ xới đá bằng máy xới
Việc xới đất đá có thể bằng các luồng song song kề nhau trên mặt phẳng ngang
hay trên mặt xiên. Các sơ đồ làm tơi đất đá của máy xới thể hiện trong hình 5.5. Khi
xới theo lớp xiên (đến 20o) thì lực kéo của máy xới được sử dụng nhiều nhất khi hành
trình làm việc xuống dốc và chạy không tải lên dốc. Sơ đồ cơng nghệ bóc đất đá theo
lớp nghiêng trong hình 9.6. Để xới đất đá cứng, với hn  2 m, đá nhóm I, II, xới các
rạch song song ở hai hướng; đá nhóm III, sử dụng rạch dọc - ngang với bước xới
0,7  0,9 m.

a
)

e)

b
)

c)

h
)

d
)

k)

Hình 1.5. Các sơ đồ công nghệ làm tơi đất đá bằng máy xới
a, b, c - Rạch kề nhau: dọc - trịn; xốy trơn ốc; chuyển; d, e, h - Rạch xen nhau: dọc
tròn; xốy trơn ốc; zíczắc; k - kề nhau: dọc ngang.

10


Hình 1.6. Sơ đồ cơng nghệ bóc đá bằng máy cày theo lớp nghiêng
H = 5m; b) H = 10m; 1- máy xới; 2 - máy xúc tải
Khoảng cách giữa hai rãnh xới kề nhau C được quy định xuất phát từ điều kiện
đảm bảo cỡ đá yêu cầu và chiều sâu cần xới. Giữa hai rãnh xới kề nhau sẽ để lại ở
phần dưới các “doi” đất (vùng đất đá khơng phá hết) gây khó khăn cho cơng tác xúc

bốc. Chiều sâu xới có hiệu quả hq nhỏ hơn chiều sâu ngập răng hn. Do đó, phải tiến
hành xới bằng các luồng phụ vng góc hoặc chéo góc với các luồng xúc đầu nhằm
phá các “doi” đá còn lại, đảm bảo cỡ hạt tốt. Khoảng cách giữa các luồng xới phụ C’ =
(1,2  1,5)C.
Mức độ khó xới phụ thuộc vào hướng xới và hệ thống khe nứt của đất đá. Việc
xới đất đá có hiệu quả nhất là xới theo hướng vng góc với hệ thống khe nứt chính.
Đối với đất đá cứng và cứng vừa, việc khó khăn nhất là làm ngập răng lúc ban đầu.
Để làm dễ dàng việc trên cần xới lặp nhiều lần tại một chỗ hay nổ mìn sơ bộ nhằm tạo
nên một hố chuẩn bị đầu tiên với chiều sâu cần thiết.
Các thông số làm tơi bằng máy xới được xác định theo trị số chiều sâu ngập răng
có thể hn.
Bảng 1.1. Trị số của hệ số K1, K2 theo chiều rộng của đáy rãnh hào b’
Đặc tính đất đá
theo độ nứt nẻ của
nó trong khối

Chỉ tiêu
Ai

K1

K2

b’

Ít nứt nẻ

0,6  0,9

0,75  0,9

0,95  1,00

(1,5  2,0)b

Nứt nẻ vừa

0,4  0,6

0,9  1,00

0,9  0,95

(2,0  3,5)b

< 0,4

1,00

0,8  0,90

(3,5  6,0)b

Nứt nẻ mạnh

Chiều rộng rãnh xới trên mặt :

11

B = 2K1.hn.ctg + b’ , m

(1-3)

Trong đó: K1 - hệ số để chú ý đến hình dạng tiết diện ngang của rãnh đào (Bảng
5.1).
Chiều sâu xới hiệu quả của khối đá khi xới theo các luồng song song:

hq =

1 
1

K1.h n  C  b .tg , m

K2 
2


(1-4)

Trong đó: K2 - hệ số để chú ý đến sự ảnh hưởng của tình trạng khối đá tới kích
thước của trụ đá khơng bị phá huỷ (Bảng 9.1).
Trường hợp có xới các luồng phụ C’ = (1,2  1,5)C thì h’q  hn.
Khi sử dụng toàn bộ chiều sâu xới có thể thì khoảng cách giữa các luồng xới kề
nhau Co được tính theo điều kiện đạt được khối lượng đất đá chuẩn bị lớn nhất trong
một luồng xới:
Co = K1. hn.cotg  + 0,5b’, m

(1-5)

Khi đó:
hqo = 0,5Cotg  .

1
, m
K2

(5-6)

Năng suất máy xới được xác định bởi độ bền vững của đất đá và công suất động
cơ máy xới. Với một loại máy xới nhất định, năng suất giờ kỹ thuật của nó phụ thuộc
vào tốc độ xới, chiều sâu ngập răng, khoảng cách giữa các luồng xới, hệ số sử dụng
chiều sâu rạch, đặc tính âm học của đất đá, thời gian quay, sơ đồ công nghệ xới, thời
gian nâng hạ lưỡi xới…
Có hai phương pháp tính năng suất của máy xới :
- Phương pháp 1: là phương pháp tiến hành khảo sát diện tích làm việc, xây dựng
các mặt cắt và theo dõi các thời gian tiến hành làm tơi. Sau khi bóc hết đất đá, tiếp tục
xây dựng mặt cắt để tính tốn khối lượng đất đá đã được di chuyển. Khối lượng này
chia cho thời gian sẽ được năng suất cần biết.
- Phương pháp 2: dựa vào các cơng thức tính tốn để đánh giá nhanh các công
việc cần thực hiện. Khi biết khoảng cách làm tơi, khoảng cách giữa các rãnh, chiều sâu
xới có thể tính khối lượng đất đá được làm tơi sau mỗi chu kì và tương ứng là năng
suất xới.
Thực tế cho thấy tính theo phương pháp 2 có giá trị lớn hơn phương pháp 1 từ
10  20%. Năng suất của máy xới khi các luồng song song được tính theo cơng thức
sau:
Q=

3600C.h q .K

, m3/h
1 t

t L

(1-7)

Khi xới các luồng song song và chéo góc:

12


Q=

3600.h q .K
, m3/h
1 1 1   1
1 



.t
V  C C'   CL CL' 

(1-8)

Trong đó: K = 0,7  0,8 - hệ số sử dụng của máy xới theo thời gian, Vt - tốc độ kỹ
thuật của máy xới, m/s; t - thời gian di chuyển máy xới qua một luồng xới sau (khi xới
theo sơ đồ con thoi t =t1=30  60 s, khi làm việc theo hành trình làm việc và chạy
khơng xen kẽ t = t1+

L
); L, và L’ - chiều dài luồng xới song song và chéo góc, m; V1 V1

tốc độ của máy xới khi chạy số 1, m/s.
Năng suất của máy xới phụ thuộc vào chiều dài của luồng xới (Hình 1.7). Từ hình
này cho thấy khi chiều dài luồng xới lớn thì năng suất của máy xới càng cao. Tuy
nhiên, khi chiều dài luồng xới đạt đến một giới hạn nhất định thì năng suất của máy
xới tăng khơng đáng kể.

Hình 1.7. Năng suất của máy xới phụ thuộc vào chiều dài của luồng xới
1- với rạch dọc kề nhau; 2- với rạch dọc - tròn kề nhau;
3- với rạch dọc - ngang kề nhau
Theo hãng Caterpillar (Mỹ), khi tốc độ truyền âm trong đất đá V e=2000 m/s,
năng suất kỹ thuật trung bình của máy xới D9R là 350 m3/h, của máy D10R là 450
m3/h và của máy D11R là 550 m3/h; khi tốc độ truyền âm trong đất đá Ve = 1800 m/s,
năng suất kỹ thuật trung bình của các máy trên tương ứng là 450, 550 và 650 m3/h.
Nếu mỗi giờ máy làm việc 45 phút (fh =75 %), trong đó 30 phút xới và 15 phút vun
đống; mỗi năm làm việc 4500 giờ thì các máy xới có sản lượng làm tơi đất đá hàng
năm theo các loại đất đá với tốc độ truyền âm khác nhau có thể tham khảo bảng 1.2.
Bảng 1.2. Năng suất của các máy xới phụ thuộc vào Ve của đất đá
Loại máy
xới
D9R

Tốc độ truyền âm của đất đá
1600

1800

2000

2200

1.600.000

1.000.000

800.000

650.000

13


D10R

2.200.000

1.400.000

1.100.000

750.000

D11R

2.270.000

1.500.000

1.170.000

850.000

c. Phạm vi áp dụng của máy xới
Như ở trên đã trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của máy xới
là tốc độ truyền âm của đất đá, trong đó biểu hiện bao gồm độ kiên cố và độ nứt nẻ của
nó. Khi tốc độ truyền âm càng lớn thì mức độ khó khăn cho cơng tác xới càng cao.
Theo GS.TSKH O.P.Iacobasvin, đất đá có độ kiên cố f < 4 có thể xới ở các cấp nứt nẻ
từ I  IV; khi đất đá f=4  7 ở cấp nứt nẻ I  II thì mới có thể làm tơi bằng phương pháp
xới được; cịn loại đất đá có độ kiên cố f >7 thì có thể xới với nứt nẻ cấp I. Với đất đá
có độ kiên cố f >12 hoặc nứt nẻ cấp IV, V thì khơng thể xới được.
2. Sử dụng đầu đập thuỷ lực để phá vỡ đất đá
a. Khái niệm về đầu đập thuỷ lực
Đầu đập thuỷ lực là một dạng búa thuỷ lực được lắp vào vị trí gầu xúc của máy
xúc thuỷ lực gàu ngược. Do đó, thiết bị này vừa có những ưu điểm của máy xúc thuỷ
lực gàu ngược như: khả năng di chuyển trong địa hình phức tạp tốt, quỹ đạo làm việc
do tay gàu và cần gàu tạo nên rộng… Vừa có những ưu điểm của đầu đập thuỷ lực
như: có khả năng phá vỡ đất đá trực tiếp khơng cần nổ mìn, độ ồn và độ rung nhỏ, ít
bụi, giảm thiểu được ô nhiễm môi trường sinh thái.
Hiện nay, đất đá thuỷ lực được sử dụng phổ biến trên nhiều nước như: CHLB
Đức, Pháp, Anh, Thụy Điển, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, v.v… trong nhiều lĩnh vực
như: phá đá quá cỡ, phá đất đá nguyên khối ở gương khai thác khi khai thác lộ thiên;
phá vỡ đất đá ở gương lò đào trong khai thác hầm lò hoặc trong xây dựng ngầm và
mỏ; phá dỡ bê tông nhà cũ trong xây dựng; phá nền đường cũ trong giao thông; đào
mương rãnh trong thuỷ lợi, v.v…

Hình 5.8. Cấu tạo của đầu
đập thuỷ lực

14


Có rất nhiều hãng chế tạo đầu đập thuỷ lực trên thế giới như: Krupp Berco
Technik (CHLB Đức); Atlas Copco, Stanley (Mỹ); Rammer (Phần Lan); Indeco,
Sôcmec (Italia); IR Motabert, Arden Equiment (Pháp); TABE (Tây Ban Nha); Lifton
Breakers AS (Đan Mạch); Htachi, FRD Furukawa, NPK (Nhật Bản); Han woo, Soosan
(Hàn Quốc)… Trong số đó, hãng chế tạo đầu đập thuỷ lực có từ lâu đời và nổi tiếng
nhất phải kể đến là hãng Krupp Berco Technik (Đức). Năm 1963, Krupp đã nghiên
cứu búa khoan thuỷ lực, năm 1967 ra đời chiếc đầu đập thuỷ lực đầu tiên HM 400,
năm 1985 ra đời chiếc đầu đập thuỷ lực có bộ phận chống ồn và chống rung có tên
“Vibrosilenced Plus”; năm 1998 phát triển đầu đập thuỷ lực “Marathon” có trang bị hệ
thống bảo vệ an toàn; năm 200 Krupp giới thiệu 2 loại đầu đập thuỷ lực hiện đại có
năng suất cao là “Eco” và “Marathon”. Tuy nhiên, trong năm 2002 vừa qua tập đoàn
Atlas Copco đã mua lại tập đoàn Krupp Berco Technik của CHLB Đức và thành lập
nên Atlas Copco Contruction Tools GmbH.
b. Các đặc điểm của đầu đập thuỷ lực
Về cơ cấu, đầu đập thuỷ có cấu tạo gần giống với máy khoan đập thuỷ lực, tuy
nhiên tính năng kỹ thuật và mục đích của hai cơng việc này là khác nhau.
Các thông số kỹ thuật cơ bản của đầu đập thuỷ lực bao gồm: lực đập, tấn; trọng
lượng làm việc của đầu đập, kg; tốc độ bơm dầu thuỷ lực cho đầu đập, l/ph; áp lực của
choòng khi hoạt động, bar; số lần đập của choòng trong một phút lần/phút; chiều dài
làm việc của choòng, mm.
Dựa vào giá trị lực đập của đầu đập thuỷ lực, kỷ lục của một số hãng chế tạo đất
đá thuỷ lực nổi tiếng thế giới như sau: hãng IR motaber của Pháp có chiếc V1600 với
lực đập là 75 tấn; chiếc G130 của hãng Rammer (Phần Lan) có lực đập 60  100 tấn;
chiếc HM 4000S của Atlas Copco Contruction Tools GmbH có lực đập 65  120 tấn.
Trong q trình làm việc, năng suất của đầu đập thuỷ lực không chỉ phụ thuộc
vào lực đập của piston, tần số đập của chng, mà cịn phụ thuộc vào hình dáng của

mũi chng. Trên thực tế mũi choòng của đầu đập thuỷ lực có nhiều loại khác nhau,
tuy nhiên, có thể phân làm ba loại chính như sau: loại đầu tù (blunt); loại đầu dẹt (flat
chisel), và loại đầu nhọn (conical poit). Loại đầu tù thường dùng phá đá quá cỡ, loại
đầu dẹt có thể sử dụng cho các cơng việc phá vỡ đất đá nói chung, loại đầu nhọn sử
dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Chiều dài, đường kính và kiểu mũi chng của đầu đập thuỷ lực phụ thuộc vào
cơng suất của đầu đập, đối tượng đất đá cần phá vỡ. Để đạt được năng suất cao nhất
khi phá vỡ đất đá, các đầu đập thuỷ lực hiện đại ngày nay ngoài việc được trang bị các
bộ phận điều khiển tự động, bộ phận chống bụi, bộ phận tra dầu mỡ tự động, v.v… còn
được trang bị hệ thống điều khiển tự động chế độ làm việc của đầu đập thuỷ lực phù
hợp với đất đá cụ thể.
Cơ cấu điều khiển tự động này là một trong các phát minh của Kupp, có tên gọi
là “hệ thống lựa chọn điều kiện làm việc”. Hệ thống này điều khiển 2 trạng thái: tự
động làm việc và tự động dừng. Ở trạng thái tự động làm việc, đầu đập thuỷ lực vẫn
sẽ làm việc liên tục khi mũi chng ở trạng thái có tải (đang đập vỡ đất đá). Khi mũi
choòng ở trạng thái không tải (không chạm vào đất đá), hệ thống này sẽ điều khiển cho

15


đầu đập giảm bớt năng lượng, khi có tải trở lại (mũi choòng tác động vào đất đá), hệ
thống này sẽ tự động điều khiển cho đầu đập tăng dần năng lượng đập.
Đối tượng phá vỡ của đầu đập thuỷ lực khá đa dạng, từ đất đá quá cỡ, đất đá
nguyên khối đến bê tông tường xây, mặt đường cũ,… Tuy nhiên trên các mỏ khai thác
đá, đầu đập thuỷ lực có thể phá vỡ những loại đất đá và hiệu quả tương ứng như sau:
+ hợp lí, ++ tốt, +++ tối ưu, - khơng hợp lí (GS.TS. H. Goergen, RWTH Aachen CHLB Đức) (Bảng 1.4).
Bảng 1.4. Khả năng làm tơi đất đá của một số phương pháp
Loại đất đá
Cát kết nhẹ, cát kết mềm
Đá vôi mềm, đá mácnơ, đá

phiến, cát kết cứng trung bình
Đá vơi cứng và rất cứng, cát
kết cứng, đôlômit…
Basalt,
granite
diabase,
gabbrro và các loại đá tương
tự

Các phương pháp làm tơi đất đá
Máy xới
Đầu đập
Khoan
thuỷ lực
nổ
+++
++
+
++
+++
++
-

++

+++

-

+

+++

Vị trí làm việc của đầu đập thuỷ lực trên các mỏ lộ thiên khai thác đá cũng tương
tự như máy xúc thuỷ lực gàu ngược. Tuỳ theo yêu cầu của công việc, đầu đập đá thuỷ
lực có thể phá vỡ đá quá cỡ cùng mức máy đứng (Hình 5.9-a); phá vỡ đất đá nguyên
khối dưới mức máy đứng (Hình 5.9-b) phá vỡ đất đá nguyên khối trên mức máy đứng
(Hình 1.9-c).
c. Các sơ đồ công nghệ của đầu đập thuỷ lực trên mỏ lộ thiên
Tuỳ theo yêu cầu của công việc, điều kiện tự nhiên của mỏ, sự đồng bộ thiết bị
mà đầu đập thuỷ lực có các sơ đồ cơng nghệ sau:
a)

b)

16


c)
Hình 1.9. Phạm vi làm việc của đầu đập thủy lực
d. Năng suất của đầu đập thuỷ lực
Năng suất cuả đầu đập thuỷ lực phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: lực đập của
máy, loại đất đá phá vỡ, cấu trúc của đất đá, yêu cầu đập vỡ, v.v… Các loại đầu đập
thuỷ lực khác nhau sẽ có giá trị lực đập khác nhau và chính vì vậy năng suất của chúng
cũng không giống nhau. Bảng 1.5 thể hiện lực đập và năng suất của một số đầu đập
thủy lực hãng Krupp (CHLB Đức).
Bảng 1.5. Lực đập và năng suất của một số đầu đập thuỷ lực hãng Krupp
Mã hiệu đầu đập

Lực đập của máy

Năng suất, tấn/h

HM 720

15  24

50  150

HM 780

15  26

60  190

HM 1000

18  34

80  250

HM1500

26  40

110  330

HM 2300

32  50

140  420

HM 2600

42  75

180  540

HM 4000

65  120

230  680

Việc sử dụng đầu đập thuỷ lực để phá vỡ đất đá nguyên khối hoặc phá đá quá cỡ
trên mỏ khai thác đá khơng cần phải nổ mìn trong điều kiện thích hợp đã được chứng
minh là rất hiệu quả khơng chỉ về mặt kinh tế, kĩ thuật mà cịn cả u cầu bảo vệ mơi
trường. Do đó, hiện nay đầu đập thuỷ lực là một thiết bị lựa chọn, sử dụng tại nhiều
mỏ đá ở Châu Âu và trên thế giới. Đây là một thiết bị khai thác đất đá trực tiếp khơng
cần nổ mìn rất đa năng và tiện lợi trong khai thác mỏ lộ thiên.
3. Khấu đất bằng máy phay cắt liên hợp
a. Các loại máy phay cắt liên hợp và khả năng công nghệ của chúng

17


Cuối những năm 70 đã ra đời một loại thiết bị khấu đất đá trên mỏ trên lộ thiên
không cần khoan - nổ mìn có thể gọi là máy phay cắt liên hợp, vì nó thay thế các khâu
cơng nghệ chính: khoan - nổ - xúc - rót. Theo tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất,

các máy phay cắt liên hợp có thể khấu được đất đá với độ bền nén n=6090 MPa
tương đương 600900 kG/cm2 hay độ kiên cố f=69 theo bảng phân loại
Prôtôdiacônov, trong trường hợp đặc biệt có thể khấu được đất đá với độ kiên cố tới
f=12 mà không cần phải khoan - nổ mìn.
Trên thế giới hiện nay có những hãng sản xuất máy phay cắt liên hợp nổi tiếng
như Wirtgen, Krupp, Man Takraf (CHLB Đức), Huron (Mỹ), Voest Alpine (Áo),
Dosco (Anh), v.v... Tuy nhiên, nổi tiếng nhất vẫn là các hãng của CHLB Đức, đặc biệt
là các hãng Wirtgen và Krupp.
Theo tiến sỹ A.R Machic, phạm vi ứng dụng máy phay cắt liên hợp do hãng
Wirtgen chế tạo hạn chế ở độ bền kháng nén của nham thạch n6090 MPa. Còn
theo tác giả C.K.Côbalankô, phạm vi ứng dụng máy phay cắt liên hợp do hãng Krupp
chế tạo ở độ bền kháng nén của nham thạch n80100 MPa thì máy làm việc khơng
cần khoan - nổ mìn. Tuy nhiên, theo một số tác giả nước ngồi khác, thì phạm vi ứng
dụng của máy phay cắt liên hợp phù hợp với loại đất đá có cường độ kháng nén
n50MPa hay f5 theo phân loại của Protođiaconov.
Bảng 5.6. Các máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen và các thơng số
cơ bản của nó.
Chiều rộng
luồng xúc,
m

luồng xúc,
m

1900 SM

1,93

0,15

400

27,4

2200 SM

2,2

0,35

800

51

2500 SM

2,5

0,60

1000

103

2600 SM

2,6

0,25

750

67,5

3000 SM

3,0

0,40

750

66

3500 SM

3,5

0,47

1200

137

3700 SM

3,7

0,60

1600

176

4200 SM

4,2

0,80

1600

191

Tên máy

Chiều dày

Công suất

Trọng lượng
máy, tấn
động cơ, HP

Các bộ phận cơ bản của máy liên hợp bao gồm: động cơ, bộ phận cắt đất đá, bộ
phận điều chỉnh chiều sâu cắt, hệ thống băng tải, xi lanh điều chỉnh chiều cao chất tải
của băng tải, đối trọng, xích di chuyển, điều hoà nhiệt độ cho cabin, hệ thống đèn làm
việc, v.v.

18

Bộ phận cắt đất đá thực chất là một cái tang quay, trên đó có gắn nhiều răng kim
loại. Khi động cơ làm việc, thông qua hệ thống dây truyền động ở 2 đầu của tang quay,
các răng kim loại gắn trên tang sẽ tác động vào đất đá và phá vỡ chúng ra khỏi khối
nguyên với chiều dày xác định tuỳ theo cơng suất máy và tính chất cơ lý của đất đá.
Tuỳ theo công suất của máy và tính chất cơ lý của đất đá, bộ phận điều chỉnh chiều sâu
cắt được điều khiển bằng hệ thống điện tử, cho phép máy khấu các lớp đất đá có độ
dày chính xác tới 10 mm. Trước tiên, đất đá bị cắt ra khỏi khối nguyên, sau đó bị va
đập vào nhau làm cho cỡ hạt của đất khả nhỏ và đều đặn. Sự quay đều của tang cắt kết
hợp với lưỡi gạt sẽ làm cho đất đá chuyển động thành dịng theo qn tính ra ngồi
theo hệ thống băng tải gắn liền với máy. Hệ thống băng tải này có thể được điều khiển
quay về bên phải hoặc bên trái so với trục dài của máy một góc tối đa 90o, mặt khác
cũng có thể điều chỉnh được chiều cao của băng tải khi dỡ tải, do đó rất thuận lợi cho
việc bố trí ơ tơ nhận tải trực tiếp di chuyển bên cạnh máy phay cắt liên hợp.
Máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen có cấu tạo bao gồm 2 hàng xích trước
và sau, ở giữa phía dưới bụng máy là một bánh xe có gắn các răng hợp kim để làm tơi
đất đá. Đất đá được làm tơi thành những luồng có chiều rộng bằng chiều rộng thân
máy, chiều dày tương ứng với công suất và tính chất cơ lý của đất đá và sau đó được
vận chuyển theo băng tải ra phía ngồi rót trực tiếp vào thùng ô tô di chuyển cùng máy
liên hợp hoặc đổ thành đống dọc theo chiều dài luồng xúc sau đó sẽ được thiết bị xúc
bốc chất lên phương tiện vận tải (Hình 5.11).
Máy phay cắt liện hợp có thể khai thác chọn lọc rất tốt đối với các vỉa bằng
phẳng. Khi khai thác chọn lọc bằng MXTL chỉ có thể xúc chọn lọc với chiều dày 10
cm, nhưng theo kinh nghiệm ở Mỹ, Ơxtrâylia và Nam Tư thì máy phay cắt liên hợp có
thể xúc chọn lọc với chiều dày đến 2,5 cm [6]. Việc khai thác than bằng máy phay cắt
liên hợp ở Ôxtrâylia đã làm giảm được độ tro xuống cịn 6,5 % so với cơng nghệ
truyền thống là 9 %. Ở Nam Tư do khai thác than nâu bằng máy phay cắt liên hợp nên
đã làm giảm được tỷ lệ làm nghèo than, tăng được hiệu quả khai thác do giảm được 20
% chi phí tuyển.

Theo kết quả thực nghiệm, nếu vỉa dốc 56o (tương đương góc dốc làm việc cho
phép của thiết bị), thì có thể loại trừ hồn tồn tổn thất và lẫn bẩn than. Nếu vỉa dày 2
m, dốc dưới 43o thì độ tổn thất không lớn hơn 3 %. Khi vỉa dốc 4585o, độ tổn thất dao
động từ 1,52 %; nếu giảm chiều dày lớp làm tơi xuống thì sẽ giảm được độ tổn thất
hơn nữa. Trong khi đó, với cơng nghệ truyền thồng, độ tổn thất trong khai thác những
vỉa than có cấu trúc phức tạp có thể lên tới 812 %.
a)

b)

19


Hình 1.11. Các sơ đồ dỡ tải của máy phay cắt liên hợp
a) Sơ đồ dỡ tải trực tiếp cho ô tô; b) Sơ đồ dỡ tải thành đống
Sự xuất hiện của máy phay cắt liên hợp đã cho phép việc bóc đất đá rắn trên mỏ
lộ thiên có thể thực hiện theo dây chuyền công nghệ liên tục mà trước đây phải thực
hiện theo cơng nghệ có tính chu kỳ là khoan - nổ mìn.
Mỏ Taldinski của vùng than Kuzơbat dùng 2 máy phay cắt liên hợp KMS-2000R
(trọng lượng 527 tấn) kết hợp với băng tải để khai thác chọn lọc. Than được đánh đống
cho máy xúc rôto xúc, đổ vào goòng đưa về nhà máy tuyển; còn đất đá (với sản lượng
15 triệu m3/năm) được băng tải chất trực tiếp vào bãi thải trong.
Máy phay cắt liên hợp càng thể hiện rõ tính ưu việt so với cơng nghệ truyền
thống, đặc biệt trên những mỏ than có cấu trúc vỉa phức tạp, có điều kiện làm việc
rộng rãi; máy ít phải di chuyển; ít những cơng đoạn phụ trợ và ô tô vận tải luôn đáp
ứng được cho máy liên hợp.
b. Các sơ đồ khấu đất đá của máy phay cắt liên hợp
Máy phay cắt liên hợp có thể làm việc với 3 sơ đồ khấu như sau:
* Sơ đồ khấu theo từng lớp trên toàn bộ bề mặt:
Trong trường hợp này đất đá được làm tơi theo các lớp nằm ngang lần lượt từ

trên xuống dưới trên tồn bộ bề mặt (Hình 1.12). Sơ đồ cơng nghệ này được sử dụng
khi chiều rộng bề mặt làm việc lớn hoặc khi cần làm tơi chọn lọc theo các lớp ngang.

Hình 1.12. Sơ đồ khấu đất đá theo từng lớp trên toàn bộ bề mặt
* Sơ đồ khấu đất đá theo từng lớp trên các khối nối tiếp nhau:
Trong sơ đồ này, đất đá được làm tơi theo từng lớp (từ trên xuống dưới) trên
các khối nối tiếp nhau (Hình 1.13). Sơ đồ cơng nghệ này được sử dụng khi chiều rộng
làm việc có kích thước hạn chế hoặc khi cần trung hồ chất lượng khống sản ở các
lớp khác nhau trong giới hạn của một khối.

Hình 1.13. Sơ đồ khấu đất đá theo từng lớp trên các khối nối tiếp nhau
* Sơ đồ khấu đất đá trên một số lớp của các khối kề nhau:

20


Trong sơ đồ này, đất đá được làm tơi trên một số lớp của các khối kề nhau
(Hình 1.14). Sơ đồ này là sự kết hợp của 2 sơ đồ trên và được sử dụng khi khai thác
các mỏ có các lớp kẹp phân lớp theo phương xiên. Tuy nhiên, sơ đồ này khơng thích
hợp cho việc khai thác chọn lọc vì máy phay cắt liên hợp phải di chuyển nhiều trên các
mức và các khối khác nhau.

Hình 1.14. Sơ đồ khấu đất đá trên một số lớp của các khối kề nhau
c. Các sơ đồ di chuyển của máy phay cắt liên hợp
Khi làm việc với các sơ đồ khấu ở trên, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể mà
máy phay cắt liên hợp sẽ di chuyển theo một trong các sơ đồ sau:
* Sơ đồ lùi không tải (Hình 1.15): máy phay cắt liên hợp khấu đất đá từ đầu mỏ
đến cuối mỏ, sau đó nâng bộ phận cắt đất đá lên và di chuyển giật lùi khơng tải trở về
vị trí ban đầu và sau đó tiếp tục luồng khấu mới ngay sát và cùng chiều với luồng khấu
trước. Sơ đồ di chuyển này được sử dụng khi chiều dài của mỏ hạn chế (nhỏ hơn 200

m); thời gian lùi không tải nhỏ hơn thời gian quay đầu; máy phay cắt liên hợp khơng
có khả năng quay đầu vì mặt bằng hạn chế.
* Sơ đồ quay đầu (Hình 1.16): máy phay cắt liên hợp khấu đất đá từ đầu đến cuối
mỏ, sau đó nâng bộ phận cắt đất đá lên và quay đầu. Sau khi quay đầu xong, máy liên
hợp hạ bộ phận cắt đất đá xuống và tiến hành luồng khấu mới ngay sát luồng khấu
trước nhưng có chiều ngược lại. Sơ đồ này có năng suất khá cao và thường được sử
dụng khi chiều dài của mỏ lớn hơn 200 m; thời gian quay đầu để khấu luồng khấu mới
nhỏ hơn thời gian lùi khơng tải; kích thước mặt tầng cơng tác đủ rộng cho máy phay
cắt liên hợp quay đầu thuận tiện.

Hình 1.16. Sơ đồ quay đầu
Hình 1.15. Sơ đồ lùi khơng tải
của máy phay cắt liên hợp
của máy phay cắt liên hợp
* Sơ đồ di chuyển theo hình xốy ốc (Hình 1.17): là sơ đồ mà máy phay cắt
liên hợp có thể khấu đất đá một cách liên tục trong quá trình di chuyển. Trong sơ đồ
này, máy phay cắt liên hợp khấu đất đá theo những đường xốy ốc có dạng hình trịn

21


hoặc elíp (tuỳ theo kích thước của đáy mỏ) càng gần tâm càng nhỏ dần, cho đến khi
không thể khấu theo những đường xốy ốc được nữa thì máy liên hợp sẽ khấu nốt
phần còn lại bằng các luồng xúc thẳng. Sơ đồ di chuyển này thường không phổ biến vì
việc duy trì góc dốc bờ mỏ và dộ dốc của nền tầng trong quá trình khấu khá phức tạp,
tuy nhiên sơ đồ này lại có năng suất cao khi mỏ có chiều rộng làm việc lớn.

Hình 1.17. Sơ đồ di chuyển theo hình xốy ốc của máy phay cắt liên hợp

1.2 Tình hình sử dụng các thiết bị cơ giới có khả năng làm tơi trực tiếp đất đá

1.2.1 Tình hình sử dụng máy xới
Việc sử dụng đồng bộ máy xới kết hợp với máy bốc hồn tồn có thể nâng cao độ
ổn định của tầng và bờ mỏ. Đặc biệt là giai đoạn đưa bờ mỏ vào giới hạn kết thúc.
Đồng bộ thiết bị này giữ được tốt đa cấu trúc tự nhiên của nham thạch ở vị trí bờ
mỏ kết thúc, bảo vệ sự ổn định của tầng và bờ mỏ. Đồng bộ này đã được thí nghiệm để
đưa bờ mỏ vào giới hạn cuối cùng trên một mỏ có điều kiện phức tạp: đá sét kết, bột
kết, bột kết than với f=8  15, vùng đứt gãy bị mềm yếu; có những khu vực bờ mỏ là đá
bột kết xi măng silic bị nứt nẻ mạnh.
Để giữ gìn cấu trúc tự nhiên của bờ mỏ, cơng việc khoan - nổ mìn dừng lại cách
vị trí bố trí bờ mỏ kết thúc từ 50  80 m. Dải nham thạch này được làm tơi bằng máy
xới có công suất động cơ 300 kW.
Tuỳ thuộc vào tốc độ truyền âm trong khối đá mà có các phương pháp xới khác
nhau: loại đất đá yếu, có tốc độ truyềng âm từ 500  1000 m/s thì xới bằng những
luồng xới song song; loại rắn hơn, có tốc độ truyền âm dưới 2500 m/s thì xới kiểu đan
mắt cáo; loại xi măng silíc bền vững, ít nứt nẻ, có tốc độ truyền âm từ 2500  3000 m/s

22


thì dùng hai máy xới kề nhau cùng làm việc hoặc xới sau khi đã khoan - nổ mìn sơ bộ
với mạng lỗ khoan 10  10 m với chỉ tiêu thuốc nổ nhỏ.
Mỗi dải đất đá xới có kích thước 50  100 m, sâu 0,5  1 m (tuỳ thuộc vào loại đất
đá), khoảng cách giữa các luồng xới 1  1,5 m. Xới xong, vun đống cao 3 m, chiều dài
ủi khi vun đống 30  40 m (dài hơn thì năng suất giảm nhanh), dùng máy bốc có dung
tích gầu E=7,65 m3 xúc vào ơ tơ БелAЗ-548 để vận chuyển ra bãi thải.
Bờ mỏ được đưa vào giới hạn cuối cùng bằng những lớp dày 3 m. Bờ kết thúc có
góc 55o, nâng cao trung bình 5o so với công nghệ truyền thống dùng khoan - nổ mìn
kết hợp với MXTG.
Tại mỏ đá vơi Estơnia, đá vơi phân lớp mỏng có độ kiên cố f = 6  8, đã dùng máy
xới Д-625-AC công suất động cơ 250 CV xới với chi phí 2 cốp/t thay vì khoan - nổ

mìn trước đó với giá thành 17  19 cốp/t. Mỏ đá vôi của nhà máy xi măng ngoại thành
Mátxcơva đã xới với giá thành 2 cốp/m3 thay vì 38 cốp/m3. Chi phí sản xuất trên các
mỏ đá ở Mỹ khi dùng máy xới cũng rẻ hơn so với khoan - nổ mìn.
Theo các số liệu thống kê, khi xới nham thach cứng vừa trên mỏ Apatít ở Estơnia
bằng máy xới có cơng suất động cơ 368  442 kW, mỗi năm làm tơi được 1,2 triệu m3
đất đá, tiết kiệm 500 tấn thuốc nổ.
Trên một mỏ khai thác vàng ở LB Nga, có trầm tích chứa quặng là đá sét kết, bột
kết với xi măng silíc biến chất cao, độ kiên cố f = 7  15, dung trọng 2,6 t/m3, hệ số nở
rời của đất đá 1,5, tốc độ truyền âm trong khối biến dộng lớn từ 500  3000 m/s, đã sử
dụng có kết quả đồng bộ thiết bị cơ động bao gồm: các máy xới D9G, D9L, D9L phối
hợp với máy bốc H-400C (Mỹ) có trọng tải gần 15 tấn, dung tích gầu 8,4 m3. Công
nghệ sử dụng là xới, vun đống và dùng máy bốc H-400C xúc đổ vào ô tô БелАЗ-548
trọng tải 40 tấn.
Khi tốc độ truyền âm trong khối đá từ 1500  2000m/s thì cơng tác xới thuận lợi,
nhưng tốc độ truyền âm lên tới 3000 m/s thì hiệu quả của máy D9G giảm đi rõ rệt và
lúc đó phải chuyển sang xới theo kiểu đan mắt cáo. Khi cơng tác xới trở lên đặc biệt
khó thì phải tiến hành khoan - nổ sơ bộ với mạng lưới lỗ khoan 10  10m và chỉ tiêu
thuốc nổ 0,15  0,2 kg/m3, sau đó mới tiến hành xới. Khi tốc độ truyền âm là 1000 m/s
năng suất xới là 600 m3/h, khi tốc độ lên tới 2000 m/s thì năng suất cịn 430 m3/h.
Qua thí nghiệm so sánh chi phí quy đổi khoan - nổ mìn 1 m3 đất đá bằng máy
СБШ-250MH là 0,177 rúp, còn bằng máy xới trung bình là 0,14 rúp và ở điều kiện
khó khăn (khi tốc độ truyền âm Ve > 2500 m/s) là 0,181 rúp.
- Trên mỏ lộ thiên ở Mỹ, vỉa than dày 60 m, có sản lượng 2 triệu tấn/năm, để
giảm tổn thất và làm bẩn quặng trong quá trình khai thác, đã sử dụng máy xới làm tơi
đất đá, rồi dùng máy bốc xúc đổ vào ô tô 120 tấn.
- Mỏ than Secvani khai thác đồng thời hai vỉa than năng lượng, chiều dày từ 2  6
m, góc cắm đến 45o. Tuỳ theo chiều dày vỉa và số lớp kẹp mà khai thác có chọn lọc
hoặc xúc xơ. Đồng bộ thiết bị cơ bản bao gồm: máy xới CAT D9L (380 kW), Komatsu
(456 KW), máy bốc CAT 988 (5,5 m3) để xúc đất đá và CAT 922 (2 m3) để xúc than,
ơ tơ có tải trọng 50 tấn.

23


- Mỏ Sonicar ở Nigeria với những thấu kính than dày 1  8 m. Đất đá phủ dày 25
m, khoan - nổ mìn theo tầng 15 m, dùng máy bốc CAT- 988 xúc đổ vào ô tô CAT- 769
tải trọng 32 tấn. Những tầng đá phủ yếu dùng máy xới D9N (300 kW) để làm tơi.
Tại mỏ vàng Curopakski (LB Nga) hàng năm có 1 triệu m3 đất đá bóc và có 0,75
triệu m3 quặng. Độ kiên cố f của đất đá không quá 4. Một nửa khối lượng đất bóc được
MXTG xúc trực tiếp, phần cịn lại được tiến hành khoan - nổ mìn. Những thấu kính có
hình thù phức tạp, có những dải quặng lượn sóng, nếu dùng khoan - nổ mìn và MXTG
thì tổn thất rất lớn. Do đó, phần lớn trữ lượng quặng phải để lại và cho ra ngoài bảng
cân đối. Người ta chuyển sang sử dụng máy xới CAT D9G và máy bốc CAT 977K
bánh xích để làm tơi và xúc bốc. Việc thay đổi đồng bộ thiết bị và công nghệ này đã
dẫn đến làm giảm tỷ lệ làm bẩn xuống còn 6,1 %, trong khi nếu dùng đồng bộ thiết bị
cũ là 19,8 %: đồng thời chi phí cho 1 m3 đã giảm xuống 3 lần so với công nghệ cũ.
Mỏ Apatit Maardus của Estonia xới đất đá và quặng bằng máy xới Fiat-Allis HD41B có cơng suất động cơ 283kW. Những khoảnh đất, quặng được xới có kích thước
50  15 m đến 70  20 m, tốc độ công tác 0,3  0,4 m/s. Năng suất xới phụ thuộc vào tốc
độ truyền âm trong nham thạch (Bảng 1.3).
Bảng 1.3. Năng suất xới phụ thuộc vào Ve trong nham thạch tại mỏ Apatit- Estonia

-

Loại nham thạch

Đá vôi

Cát kết

Quặng

Tốc độ truyền âm (m/s)

1500  2000

2100

2000  2300

Năng suất máy xới
(m3/h)

100  1100

950

750  800

Ở mỏ quặng Phosphorit Akchubínk, để xới quặng phốtpho với độ kiên cố f =
5  7, người ta dùng máy xới có cơng suất động cơ 220  382 kW, năng suất xới từ
2500÷2700 m3/h; 2 máy bốc có dung tích gầu 7,65 m3 và 9,2 m3 (từ 1979-1987), giảm
được 3  5 % tỷ lệ tổn thất quặng so với dùng máy xúc ЭO-6121 (2,5 m3).
- Những thí nghiệm dùng máy xới và máy bốc để khai thác chọn lọc các mỏ vật
liệu hoá chất ở Kigizia (mỏ Haidakan và mỏ Achubinsk), mỏ đá dầu ở Estonia dưới sự
chủ trì của hai viện nghiên cứu: Khai thác Tổng hợp tài nguyên lòng đất của Viện Hàn
lâm (Liên Xơ cũ) và Viện Khai thác Vật liệu Hố chất đã đi tới kết luận: việc xới ở mỏ
đá dầu đã làm giảm chi phí cơng tác làm tơi 12,5 lần so với khoan - nổ mìn. Máy xới
và máy bốc là các loại thiết bị có đặc tính công nghệ hơn hẳn đồng bộ thiết bị truyền
thống khi dùng khoan - nổ mìn và máy xúc tay gầu kéo cáp trong khai thác khoáng sản
vật liệu hoá chất, đá dầu; tận thu được các vỉa quặng mỏng tới 0,5 m mà trước đây

phải bỏ đi, giảm tỷ lệ làm bẩn và nâng cao đáng kể hiệu quả kinh tế trong quá trình
khai thác.
- Theo Liên hiệp Khai thác Vật liệu phi kim loại (Liên Xô cũ), mỏ đá vôi
Porkhopck đã dùng máy xới để làm tơi đất đá với sản lượng đá vôi 300.000 m3/năm,

24


đất bóc 200.000 m3/năm. Năng suất của máy xới khi xới là 300  1200 m3/h và khi vun
đống là 160  200 m3/h; đạt hiệu quả kinh tế cao so với khi sử dụng khoan - nổ mìn.
1.2.2 Tình hình sử dụng đầu đập thủy lực
a. Đầu đập thuỷ lực phá đá quá cỡ kết hợp với máy bốc và ô tô để xúc và vận
tải đất
Trong sơ đồ cơng nghệ này, đầu đập thuỷ lực đóng vai trị của một trạm nghiền
sàng sơ bộ. Đất đá quá cỡ được gom thành các đống, sau khi đá quá cỡ trong đống
được phá vỡ bằng đầu đập thuỷ lực thì máy bốc và ô tô sẽ xúc và vận tải đến kho chứa
(Hình 5.10-a). Với sơ đồ cơng nghệ này, mặt bằng làm việc tương tự như cho các thiết
bị khác.
a)

b)

c)
Hình 1.10. Các sơ đồ cơng nghệ của đầu đập thủy lực
b) Đầu đập thuỷ lực phá vỡ đất đá trực tiếp từ nguyên khối, kết hợp với máy bốc và
ô tô
Trong sơ đồ công nghệ này, đất đá được phá vỡ ra khỏi nguyên khối bởi đầu đập
thuỷ lực và sẽ được máy bốc chất lên ơ tơ (Hình 1.10-b). Chiều dài vận tải của ô tô sẽ
ngắn dần theo tốc độ dịch chuyển của gương khai thác. Do đó, các thơng số như chiều
rộng mặt tầng, chiều rộng dải khấu và chiều cao tầng là những yếu tố có quan hệ chặt

chẽ với các thiết bị sử dụng và điều kiện tự nhiên của đất đá.
c) Đầu đập thuỷ lực phá vỡ đất đá trực tiếp từ nguyên khối, kết hợp với máy
bốc, trạm nghiền sàng di động và băng tải

25