Bài giảng Những công nghệ tiên tiến trong khai thác mỏ lộ thiên (Dùng cho trình độ Thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

BÀI GIẢNG
NHỮNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
TRONG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN
(DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ)

Quảng Ninh, 2018

1


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

BÀI GIẢNG
NHỮNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
TRONG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN
(DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ)

Quảng Ninh, năm 2018
2


MỞ ĐẦU
Trong cơng cuộc Cơng nghiệp hố - Hiện đại hố ở nước ta hiện nay, ngành
khai khống có một vị trí đặc biệt quan trọng. Ngồi dầu thơ và khí tự nhiên, các
khống sản rắn là nhu cầu khơng thể thiếu cho sự phát triển của các ngành công nghiệp
khác trong nền kinh tế quốc dân.
Mức độ tăng trưởng bình quân hàng năm của ngành mỏ hiện nay khoảng 2530%. Trong đó, ngành khai thác lộ thiên (KTLT) đã, đang và vẫn sẽ giữ một vai trò
quan trọng trong tổng sản lượng khoáng sản rắn khai thác được, cụ thể hiện nay chiếm

100% đối với các loại vật liệu xây dựng (VLXD), quặng, phi quặng và nguyên liệu hoá
chất, 60-65% đối với than. Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu của nền kinh tế quốc
dân giai đoạn 2007-2015 và trong tương lai thì ngành KTLT cịn phải đối mặt với
khơng ít những thách thức như điều kiện khai thác ngày càng khó khăn, tài nguyên
ngày càng cạn kiệt, các vấn đề tận thu tối đa tài nguyên lòng đất, bảo vệ môi trường và
phát triển bền vững ngày càng chặt chẽ và nghiêm ngặt hơn,...
Điều kiện địa chất Việt Nam phức tạp tạo nên một nguồn tài nguyên khoáng sản
phong phú, đa dạng nhưng cũng manh mún. Theo thống kê, trên lãnh thổ Việt Nam đã
phát hiện được trên 50 trong số 66 loại khoáng sản phổ biến nhất trong vỏ trái đất với
khoảng hơn 5000 mỏ và điểm quặng, được chia thành các nhóm ngun liệu khống
theo mức độ triển vọng như sau:
- Triển vọng khá: VLXD, than, apatít, bauxít, titan, đất hiếm,...;
- Triển vọng: vàng, chì - kẽm, thiếc, vonfram, sắt, đồng, antiman, Auorít, cát
thuỷ tinh,...;
- Triển vọng kém hơn: cao lanh, graphít, mangan, barít, niken, fenspat. điatomit,
bentơnít,....
Thực tế, các loại khống sản này có phân bố rời rạc, không tập trung hoặc tập
trung với trữ lượng lớn, do đó đã tạo nên nhiều loại hình mỏ KTLT với quy mô và đặc
điểm rất khác nhau.
Về than, hiện nay chúng ta có khoảng 29 mỏ và điểm KTLT với sản lượng đóng
góp trong năm 2006 là 22,1 triệu tấn trong 34,5 triệu tấn của toàn ngành chiếm 64,1%.
Trong số đó có 5 mỏ lớn ở khu vực Quảng Ninh với sản lượng năm trên 2,0 triệu tấn,
khai thác khá quy mô với trang thiết bị tương đối hiện đại, đó là các mỏ Đèo Nai, Cọc
Sáu, Cao Sơn (Cẩm Phả), Hà Tu, Núi Béo (Hòn Gai), còn lại là các mỏ vừa và nhỏ
hoặc các điêm khai thác lộ vỉa có sản lượng nhỏ hơn 500 ngàn tấn/năm.
Về quặng, hiện có hàng trăm điểm khai thác quặng lộ thiên, như các mỏ khai
thác quặng Apatít ở Cam Đường - Lào Cai (trữ lượng 2,5 tỷ tấn); quặng sắt tại Trại
Cau - Thái Nguyên, Ngườm Cháng - Cao Bằng; các mỏ quặng chì kẽm ở - Chợ Đồn Bắc Kạn, Lay Hít - Thái Nguyên và một số mỏ khác thuộc các tỉnh Tuyên Quang, Hà
Giang, Yên Bái, Thanh Hố,... quặng đồng có các mỏ lớn, điển hình như mỏ đồng Sin
Quyền - Lào Cai (có trữ lượng trên 50 triệu tấn), mỏ đồng- niken Bản Phúc - Sơn La;

quặng Crơmít điển hình có ở cổ Định - Thanh Hoá và một số mỏ khác ở Mỹ Cái, Hồ
n,... về quặng bauxit có ở các tỉnh Kontum, Đắc Lắc, Lâm Đồng, Bình Dương, Hà
Giang, Cao Bằng nhưng nhiều nhất tập trung ở Tây Nguyên (trong báo cáo NCKT tổ

3


hợp bauxít nhơm Lâm Đồng đã được phê duyệt năm 2000), giai đoạn đầu sẽ khai thác
tại khu vực mỏ Tân Rai với cơng suất 4 triệu t/năm); ngồi ra, cịn có hàng chục mỏ sa
khống ven biển như inmenít (titan), zircon, rutin, mơganít, mơnazit,... ở Bàu Dịi,
Chùm Giăng - Bình Thuận, Na Hoe, Cây Trâm - Thái Nguyên và rải rác ở các tỉnh
Quảng Ninh, Thanh Hoá, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Bình
Định, Phú Yên, Vũng Tàu,.... Tuy nhiên, đa phần các mỏ quặng này đang khai thác với
quy mô nhỏ, thiết bị tương đối lạc hậu và chưa đồng bộ.
Mặc dù mỏ Apatít Lào Cai là một mỏ KTLT tưong đối có quy củ trong khai
thác quặng nhưng đồng bộ thiết bị hiện nay vẫn còn khá khiêm tốn, bao gồm các máy
khoan đập BMK-4M, CBБ-2M, CБY-100T (LB Nga); các MXTG ЭKГ-5A, Э-2503,
Э-1001 (LB Nga); các máy xúc thuỷ lực (MXTL) PC-450, PC-600 (Komatsu - Nhật
Bản); các ô tô KpAZ, KAMAZ, BenLAZ-540A (LB Nga); máy ủi T-130 và C-300
(LB Nga). Tại một số mỏ sa khống (đã kết thúc) có thiết bị, sử dụng chủ yếu là súng
bắn nước hoặc hệ thống bơm hút được đặt trên bè di động kết hợp với thủ cơng.
Nhìn chung các mỏ khai thác quặng đều sử dụng các thiết bị có cơng suất nhỏ,
lạc hậu, khơng đồng bộ dẫn đến thực tế là chưa đáp ứng được sản lượng yêu cầu, gây
tổn thất tài nguyên và ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái, đặc biệt là ở
các mỏ sa khống.
Theo thống kê, trên tồn quốc có khoảng trên 600 khu vực khai thác VLXD các
loại với sản lượng hơn 30 triệu m3 đá và hàng trăm triệu m3 cát sỏi mỗi năm, tập trung
phần lớn ở các tỉnh phía Bắc và rải rác ở các tỉnh phía Nam. Các mỏ khai thác VLXD
rất khác nhau về quy mô, công nghệ khai thác, thiết bị sử dụng,.... Xét về góc độ cơng
nghiệp và quy mơ khai thác, có thể chia các mỏ VLXD ở nước ta thành hai nhóm chính

là nhóm các mỏ áp dụng cơng nghệ khai thác cơ giới theo lớp bằng hoặc lớp xiên, vận
tải trực tiếp hoặc xúc chuyển và nhóm các mỏ áp dụng công nghệ khai thác bán cơ giới
hoặc thủ công, khai thác theo lớp xiên, cắt tầng nhỏ hoặc lớp xiên khấu theo kiểu tự do.
Nếu như các mỏ đang áp dụng cơng nghệ khai thác nhóm 1 đang sử dụng các
thiết bị tương đối đồng bộ như máy khoan đập - xoay khí nén, thuỷ lực của Nhật Bản,
Thụy Điển, Phần Lan, Mỹ,... có đường kính 75-175 mm, các máy khoan xoay cầu có
đường kính tới 250 mm của Nga; các MXTL và máy bốc có E = l-5 m3 của các hãng
Komatsu, Hitachi, Samsung, Huyndai, Caterpillar,... thì ở các mỏ thuộc nhóm 2 chủ
yếu dùng các thiết bị nhỏ, lạc hậu như các máy khoan cầm tay có đường kính 32-46
mm; các máy xúc điện và MXTL có E=0,5-1,0 m3; các ơ tơ có tải trọng 5-10 tấn, đơi
chỗ cịn dùng ơ tơ “cơng nơng“; thiết bị nghiền sàng có cơng suất nhỏ chủ yếu của
Trung Quốc.
Một số lượng lớn các mỏ thuộc nhóm 2 (khoảng 90%) hiện đang khai thác trong
tình trạng có nguy cơ cao về mất an toàn lao động cho người và thiết bị. ảnh hưởng
nghiêm trọng tới môi trường sinh thái và cảnh quan khu vực.
Với đà tăng trưởng trung bình của nền kinh tế nước nhà như hiện nay (8% mỗi
năm), dự báo nhu cầu của một số khoáng sản chính vào năm 2010 đáp ứng cho sự phát
triển của các ngành công nghiệp trong nước như sau: than - 50 triệu tấn, sắt - 2,5 triệu
tấn, bauxit - 20 triệu tấn, apatit - 1,5 triệu tấn, đá cho xi măng - 25 triệu m3, đá cho xây
dựng - 30 triệu m3,...
4


Để thoả mãn nhu cầu tăng trưởng nói trên hoạt động khai thác lộ thiên trong
những năm tới phải đối mặt với những thách thức lớn như: Tài nguyên ngày càng cạn
kiệt, nhất là ở phần trữ lượng có chất lượng tốt, có điều kiện khai thác thuận lợi; sức ép
về tận thu tối đa tài nguyên , bảo vệ môi trường sinh thái và cảnh quan thiên nhiên
ngày một gia tăng; xu thế hội nhập khu vực và thế giới kéo theo sự leo thang giá cả dẫn
đến làm tăng chi phí sản xuất và làm giảm ưu thế cạnh tranh sản phẩm trên lợi thế giá
công lao động thấp,.... Trước bối cảnh đó, giải pháp tối ưu để ngành KTLT tiếp tục

phát triển giữ được vị thế của mình trong việc đáp ứng nhu cầu nguyên nhiên, vật liệu
khống sản cho nền kinh tế quốc dân là hồn thiện và đổi mới công nghệ - thiết bị, đầu
tư phát triển theo chiều sâu nhằm tăng năng suất hoạt động và hiệu quả sản xuất kinh
doanh. Về tổng thể, các giải pháp đó là:
1. Tăng chiều sâu khai thác lộ thiên để thu hồi tối đa trữ lượng cho phép, tiết
kiệm tài nguyên và tăng hiệu quả khai thác bằng cách giảm tổn thất và làm nghèo chất
lượng khoáng sản trong q trình khai thác.
2. Lựa chọn cơng nghệ và thiết bị hợp lý để đáp ứng nhu cầu nâng cao sản
lượng mỏ lộ thiên. Thay thế các thiết bị hoạt động theo chu kỳ bằng các thiết bị hoạt
động liên tục khi điều kiện áp dụng cho phép.
3. Mở rộng cơng suất thiết bị xúc bóc và vận tải nhằm tăng hiệu quả tổ chức
quản lý và sử dụng chúng trong vận hành; đáp ứng yêu cầu gia tăng sản lượng và quy
mô sản xuất, giảm thiểu nguồn tiềm ẩn các nguy cơ gây sự cố kỹ thuật và mơi trường.
Tuy nhiên, mỗi nhóm khống sản, do những đặc thù về tự nhiên, công nghệ khai
thác cũng như hiện trạng sản xuất và nhu cầu tiêu thụ, cần có những đối sách trọng
điểm khác nhau.
Đối với than, chủ yếu tập trung vùng Quảng Ninh và một số ít trong nội địa
(Thái Nguyên, Lạng Sơn, Quảng Nam). Đặc điểm nổi bật là hầu hết các mỏ lộ thiên
lớn đều khai thác dưới mức thoát nước tự chảy, chiều cao bờ mỏ lớn, có đáy kết thúc
sâu dưới mức nước biển (từ mức -135m đến -350m) các vỉa than cắm dốc và có chiều
dày nhỏ dần, điều kiện địa chất cơng trình và địa chất thủy văn phức tạp,... Để duy trì
được sản lượng 22-24 triệu tấn/năm từ 2006 - 2010 và 18-19 triệu tấn/năm tới 2020,
ngành than lộ thiên phải giải quyết các vấn đề sau:
1. Tiếp tục đầu tư bổ sung các thiết bị đồng bộ công suất lớn nhằm đáp ứng khối
lượng đất bóc 200-250 triệu m3/năm của tồn ngành. Hệ số bóc của các mỏ lộ thiên
trong những năm tới sẽ tăng lên tới 10-14 m3/tấn, do vậy sản lượng đất đá của các mỏ
lớn có thể lên tới 30-35 triệu m3/năm. Các mỏ nhỏ và trung bình cũng tăng theo tỷ lệ
tương ứng. Tăng cường năng lực xúc bóc (đồng nghĩa với tăng khả năng xuống sâu
hàng năm) của các mỏ lộ thiên để giữ được sản lượng nói trên trong điều kiện chiều
dày vỉa càng xuống sâu càng mỏng dần.

2. Hồn thiện cơng nghệ vận tải cho mỏ sâu theo các hướng: tăng tải trọng ô tô
(tới giới hạn nào là tối ưu?), sử dụng trục tải nâng ô tô, trục tải skip, dùng băng tải kết
hợp trạm đập đá...
3. Giải quyết vấn đề đổ thải: Khối lượng đất thải còn lại từ 2006 tới 2020
khoảng 4,61 tỷ m3, trong khi nếu tận dụng hết các bãi thải hiện có và các khai trường
kết thúc sớm để làm bãi thải cũng chỉ chứa được khoảng 45% khối lượng trên (trên
dưới 2 tỷ m3).

5


4. Nghiên cứu, xây dựng các phương pháp tạo ổn định bờ mỏ lộ thiên. Có 3 yếu
tố cơ bản có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của bờ mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh đó là:
Điều kiện địa chất khu vực phức tạp, các đứt gẫy kiến tạo làm xuất hiện nhiều mặt yếu
và tạo điều kiện cho sự thâm nhập, phá huỷ của nước ngầm; Điều kiện địa chất thuỷ
văn không thuận lợi (nhiều nước ngầm); Chiều cao của bờ mỏ lớn (nếu kết thúc ở độ
cao -350 m thì chiều cao bờ mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn lên tới 600-675 m) và thời
gian tồn tại của bờ lâu. Đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm thích đáng ngay từ
bây giờ.
5. Tiếp tục hoàn thiện và sử dụng đồng bộ các giải pháp tích cực nhằm hạn chế
tối đa các tác động tiêu cực của khai thác lộ thiên tới môi trường và cảnh quan khu vực,
đặc biệt đối với 2 khâu thải đá và thoát nước. Cần vận hành tăng tốc độ khai thác mỏ
Núi Béo để kết thúc sớm một cách an tồn và có hiệu quả. đồng thời cần chuẩn bị kịp
thời phương án hậu khai thác (đóng cửa mỏ và phục hồi cảnh quan khu vực) cho mỏ
này.
Đối với quặng, đặc điểm của các khoáng sàng quặng nước ta là có cấu trúc địa
chất khá phức tạp, có nguồn gốc từ đủ loại hình sinh thành: mácma (phún xuất và thâm
nhập), trầm tích (nguyên sinh và thứ sinh) và biến chất. Hầu hết các khống sàng đều
có trữ lượng nhỏ, phân bố phân tán và manh mún. Cá biệt, mỏ sắt Thạch Khê có trữ
lượng lớn (trên 544 triệu tấn) nhưng điều kiện khai thác hết sức khó khăn (thân quặng

nằm ở độ sâu từ -140m đến -750m, nằm sát mép nước biển, nước ngầm nhiều, nền đất
yếu,...); mỏ Apatit Lao Cai có trữ lượng trên 2 tỷ tấn, nhưng phần lớn là quặng loại III
và IV có hàm lượng P205 thấp (dưới 17%) vỉa mỏng và phân bố trải dài trên 200 km
dọc bờ sông Hồng, điều kiện khai thác rất không thuận lợi,... một số các loại quặng
khác thì phân tán dưới dạng sa khống ven biển hoặc sườn tích, bồi tích miền núi,... với
trữ lượng khiêm tốn, khơng có điều kiện để cơ giới hố khai thác với quy mơ lớn. Với
thực trạng đó, trong thời gian tới, ngành khai thác quặng lộ thiên cần giải quyết những
vấn đế cơ bản sau:
1. Đối với mỏ sắt Thạch Khê (nằm trong chương trình trọng điểm của Nhà
nước) cần nghiên cứu lựa chọn công nghệ - thiết bị khai thác phù hợp với điều kiện
thực tế của mỏ là khai thác dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện nước ngầm rất
lớn, lại nằm sát biển và rất thấp dưới mức nước biển và nền đất yếu, có mối liên hệ
giữa nước ngầm với nước biển qua các hang động carst trong lớp đá vây quanh. Đặc
biệt đề phịng nguy cơ bục nước trong q trình khai thác, trượt lở bờ mỏ, sóng biển
tràn vào mỏ hoặc mỏ bị ngập lụt khi có mưa to gió lớn.
2. Đối với các mỏ quặng khác (bao gồm các thân khoáng sản thành tạo từ quặng
gốc hoặc sa khoáng ven biển) do trữ lượng không lớn, phân bố rải rác ở các vùng sâu,
vùng xa,... cần lựa chọn công nghệ và thiết bị thích hợp với quy mơ sản xuất và điều
kiện tự nhiên cụ thể, đặc biệt quan tâm tới vấn đề tổn thất tài nguyên và ô nhiễm mơi
trường. Cần có một quy hoạch tổng thể cho việc khai thác và sử dụng các loại khoáng
sản này ở tầm quốc gia, trong đó bao gồm cả việc thăm dị chi tiết, đánh giá chính xác
trữ lượng của chúng. Tránh tình trạng quản lý, khai thác và sử dụng một cách lộn xộn,
thiếu quy củ, gây tổn thất tài nguyên và làm suy giảm môi trường trầm trọng như hiện
nay.

6


Về vật liệu xây dựng, tiềm năng về khoáng sản VLXD nước ta rất dồi dào về trữ
lượng và phong phú về chủng loại, nhưng nhu cầu sử dụng cũng rất lớn và ngày một

tăng. Đặc điểm của các loại khoáng sàng VLXD là phân bố trên bề mặt địa hình và bản
thân chúng, ở một số trường hợp, cũng mang theo giá trị thẩm mỹ của cảnh quan khu
vực do vậy việc khai thác chúng phải được cân nhắc giữa lợi ích kinh tế từ giá trị sử
dụng trực tiếp chúng và từ hiệu quả hoạt động kinh doanh của ngành “Cơng nghiệp
khơng khói” mang lại. Để đáp ứng nhu cầu 55 triệu m3 đá các loại, 35 triệu m3 sét cho
cơng nghiệp gạch ngói và xi măng, trên 40 triệu m3 cát sỏi cho xây dựng vào năm
2010, những trọng điểm mà ngành khai thác VLXD phải quan tâm là:
1. Đối với với khai thác đá nói chung, cần tiến hành thăm dò bổ sung để tận
dụng phần tài nguyên nằm dưới độ cao bề mặt địa hình để kéo dài tuổi thọ mỏ, hạn chế
sự phá vỡ cảnh quan do mở rộng phạm vi khai thác. Với các mỏ nhỏ, cần hồn thiện
cơng nghệ khai thác, hiện đại hoá và cơ giới hoá đồng bộ thiết bị để nâng cao hiệu quả
khai thác, giảm thiểu tối đa các tai nạn lao động và tiết kiệm tài nguyên.
2. Đối với các mỏ sét, cần tiến hành quy hoạch tổng thể để “quản trị” tốt tài
nguyên, nhằm sử dụng đúng mục đích theo chất lượng của từng khống sàng, ưu tiên
dự trữ nguyên liệu tốt cho công nghiệp gốm sứ và xi măng.
3. Cần có quy định cụ thể và quản lý chặt chẽ việc khai thác cát sỏi dưới các
lịng sơng, tránh làm sạt lở bờ sơng và biến đổi dịng chảy của sơng. Tận dụng tối đa
các nguồn tài nguyên cạn, kể cả việc sử dụng công nghệ xay nghiền các đá cát kết, cuội
kết (sa thạch silic, cơnglơmêrat) để làm cát xây dựng.
Tóm lại, trong xu thế hội nhập của nền kinh tế thị trường, để ngành KTLT tiếp
tục phát triển bền vững và đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về nguyên, nhiên, vật
liệu khoáng sản cho nền kinh tế quốc dân, bên cạnh vấn đề hoàn thiện cơ chế tổ chức quản lý từ trung ương tới cơ sở sản xuất, thì vấn đề đổi mới công nghệ - thiết bị, tăng
cường đầu tư chiều sâu (cả về phương tiện, trang thiết bị lẫn con người) nhằm từng
bước hạ thấp giá thành, tăng năng suất lao động, mở rộng và duy trì sản xuất, cải thiện
chất lượng sản phẩm,... là vấn đề cốt lõi . Mặt khác cần nhận thức đầy đủ hơn - tài
ngun khống sản là loại tài ngun khơng tái tạo được, trữ lượng của một số loại nào
đó dù có dồi dào nhưng vẫn là hữu hạn, nên việc khai thác sử dụng hợp lý và tiết kiệm
chúng là trách nhiệm của mọi người đối với thế hệ mai sau. Một yêu cầu nữa đang là
vấn đề thời sự. có tính bức bách, đó là u cầu bảo vệ môi trường đối với KTLT. Hoạt
động KTLT đã chiếm dụng một diện tích lớn đất đai để mở khai trường, làm bãi thải và

xây dựng các cơng trình phụ trợ và hàng năm thải vào môi trường hàng trăm triệu m3
đất đá thải, gây những tác hại nghiêm trọng tới môi trường. Do vậy việc áp dụng những
giải pháp khoa học công nghệ nhằm ngăn chặn, hạn chế và khắc phục các tác động tiêu
cực của KTLT đối với môi trường là một trong những tiêu chí để ngành KTLT có thể
hội nhập vào nền sản xuất hiện đại, ngày một sạch hơn, thân thiện với môi trường hơn.
Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết của nền kinh tế với công nghệ khai thác lộ thiên
như trên. Công nghệ khai thác lộ thiên phải nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn những
cơng nghệ khai thác tiên tiến hơn. Do đó, nội dung kiến thức “những công nghệ tiên
tiến trong khai thác mỏ lộ thiên” nhằm giới thiệu với bạn đọc những cơng nghệ đó. Tài
7


liệu này dành cho chương trình đào tạo thạc sĩ của trường đại học Công nghiệp Quảng
Ninh và cũng là tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật ngành mỏ.
Trong q trình biên soạn khơng thể tránh được những thiếu sót, rất mong bạn
đọc góp ý bổ sung để tài liệu ngày càng hoàn thiện, đáp ứng được yêu cầu là học liệu
chất lượng trong đào tạo, xin chân thành cảm ơn.

8


CHƯƠNG 1
SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI HĨA
TRÊN MỎ LỘ THIÊN
1.1. Sơ đồ cơng nghệ khai thác than
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 khơng bao gồm khâu tuyển khống mà chỉ
có khâu gia công 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 1.1. 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 trên sơ đồ ở hình trên.
Khi khai thác các khống sản rắn, có đất đá phủ cứng, thì mọi q trình sản xuất
trong dây chuyền công nghệ đều tuân thủ gần đúng sơ đồ hình 1.1. Khi khai thác các
khống sản ở dạng sa khống 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 thì trong khâu mở vỉa khống sàng thay
vì cơng đoạn bóc một phần đất đá phủ là bạt ngọn, xén chân tuyến: ở khâu đầu tiên chỉ
có thốt nước mỏ (bằng tự chảy) mà không cần tháo khô; Không có khâu bóc đất phủ
(có thải đá ở cơng đoạn loại bỏ tạp chất nhưng không đáng kể). Tuy nhiên trong khâu
gia cơng 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, nghiền đập hầu như khơng xuất hiện
trong dây truyền cơng nghệ (có thể có khâu đánh tơi khi phối liệu đế làm nguyên liệu
xi măng).
Cần chú ý, một số tài liệu thường nhầm lẫn các khâu công nghệ trong thời kỳ
xây dựng mỏ sang thời kỳ khai thác (hoạt động sản xuất bình thường) với thịi kỳ kết
thúc đóng cửa mỏ, mặc dù chúng có mối quan hệ hữu cơ với nhau nhưng về bản chất
cơng việc, tổ chức thực hiện và hạch tốn kinh tế là khác nhau.
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
không có khâu nghiền đập, đất đá phủ cũng có trường hợp có thể xúc bóc trực tiếp mà
khơng cần khoan nổ, cũng tương tự như vậy đối với quặng.
Trong khai thác than lộ thiên, một bộ phận khá lớn than ngun khai có thể tiêu
thụ trực tiếp mà khơng cần qua chế biến. Phần cịn lại thì phải qua chế biến loại bỏ tạp
chất (hầu hết bằng nhặt thủ công 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 khơng nhiều có
cơng đoạn nghiền đập pha trộn để tận dụng các loại than có độ tro lớn và nhiệt lượng

thấp.

9


GIAI ĐOẠN

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ

CÁC KHÂU SẢN XUẤT

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động tổng quát của dự án 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 không nhiều đá mắc ma; do đó
cơng nghệ khai thác chúng cũng khác nhau.

10


Đối với các mỏ đá vôi ở miền Bắc, do có cấu tạo dạng núi cao nên trong sơ đồ
cơng nghệ hình 1.1 khơng có (hoặc khơng đáng kể) 2 khâu tháo khơ thốt nước mỏ và
bóc đất phủ; khâu thải các tạp chất sau khi sàng đập phân loại có tồn tại, nhưng khơng
nhiều.
Đối với các mỏ đá xây dựng ở miền Nam đặc biệt là khu Đồng Nai, Bình
Dương, phần lớn đều nằm sâu dưới lớp đất phủ Đệ tứ, do vậy khác với các mỏ phía
Bắc, trong cơng nghệ khai thác có thêm 2 khâu tháo khơ thốt nước mỏ và bóc đất
phủ.
Đặc điểm của cơng 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.
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 1.2). Khâu gia cơng chế biến cần có
nguồn nước dồi dào.
Đặc điểm của khai thác lộ thiên là thu hồi khống sản có ích trong lòng 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.
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 khơ và thốt nước mỏ. Tồn bộ dây
truyền cơng nghệ trên được biểu thị ở hình 1.1, tương úng với mỗi khâu ở dây truyền
sản xuất có thể có nhiều phưong tiện và hình thức khác nhau để tiến hành cơ giới hố.

Hình 1.2: Sơ đồ cơng nghệ khai thác Ti tan ven biển
11


1.2. Phương tiện cơ giới hố các khâu cơng nghệ
1.2.1. Cơ giới hố khâu chuẩn bị đất đá
Ba khâu cơng 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 (âm điện, siêu âm), hố 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 pistông 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.

Hình 1.3: Máy khoan thuỷ lực ROC F7 của llãng Atlas - Copco

12


Đối với máv khoan xoay cầu, nhiều hãng máv mỏ lớn hơn như Ingersoll- Rand,
Busirus-Erie, 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 khiển 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 granit. Đường kính máy khoan cầu 120A
cũng của hãng P&H lên tới 387 mm, chiều sáu khoan một cần là 9,8 m,...
Các hãng chế tạo máy khoan của LB Nga như Buzuluxki, Voronhetxki,... cũng
đang cải tiến các loại máy khoan CБЩ đã có theo hướng mở rộng đường kính lỗ
khoan và nâng cao chiều sâu khoan. Máy khoan xoay cầu - nhiệt CБЩ - 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 450mm hoặc lớn hơn và phải
đạt được chiều sâu khoan 45-60 mm.
Về chất nổ, bên cạnh sự phát chế ANFO (1954) một loại chất nổ dễ chế tạo,
ngun liệu phong phú có sức cơng phá tốt, an toàn trong sản xuất, bảo quản và sử
dụng; giá rẻ (bằng 70% amơnít) và đặc biệt là khơng gây ô nhiễm môi 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 hố 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: tỷ trọng 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
tồn 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 công nghiệp của thế kỷ XX.

Hình 1.4. Xe nạp thuốc nổ nhũ tương đang chuẩn bị nạp mìn
13

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 lỗ 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 tùng lỗ mìn với mọi giãn cách thời gian
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).

Hình 1.5. Minh họa một mạng nổ mìn phi điện
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 nhũng giải pháp phá vỡ đất đá mà khơng cần
tới nổ mìn. Chất phá đá NPV-7B, Dexpan, hệ thống phá đá CardoxTube, phá đá bằng
chất hoạt tính bề mặt,... mở đầu cho cơng nghệ phá đá sạch ở nhiệt độ thấp, không gây
chấn động lớn, khơng bụi, khơng 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 công 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 liên hợp phay cắt đá.
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 1.1). Các máy xới có cơng suất và trọng lượng trong phạm
vi đó phải kể đến là D-10N, D-11N của hãng Caterpillar, D- 275A, D-375A, D-475A,
D-575A của hãng Komatsu, TT-300P-1-0,1; T-500P-1; T-50-01 của Nga,... Tờ World
Mining Equipment tháng 2/2000 thông báo rằng hãng Caterpillar vừa cho ra đời loại
máy xới mới D-l 1R có trang bị hệ thống tự động điều khiển lưỡi gạt và bộ phận chuẩn

đốn sự cố trong q trình xới.

14


Hình 1.6. Máy xới D-11N của hãng Caterpillar
Bảng 1.1. Năng suất của các máy xới phụ thuộc vào Ve của đất đá, m3/năm
Loại máy
Tốc độ truyền âm của đất đá.m/s
xới
1600
1800
2000
2200
D9R

1.600.000

1.000.000

800.000

650.000

D10R

2.200.000

1.400.000

1.100.000

750.000

D11R

2.270.000

1.500.000

1.170.000

850.000

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 thì giá thành làm tơi 1 m3 đất đá bằng máy xới
chỉ bằng 40 % so với khi sử dụng phương pháp khoan - nổ mìn) mà cịn có ý nghĩa lớn
về mặt mơi trường do không gây chấn động mặt đất, chấn động khơng khí, khơng có
đá văng, khơng xả khí độc hại vào khơng khí.
Chiếc búa thuỷ lực được 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 HM2600 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 khơng
cần khoan nổ mìn. Búa thuỷ lực hiện đang sử dụng trên 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.

1.2.2. Cơ giới hố khâu xúc bóc đất đá
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 một gàu
hoặc các thiết bị thuỷ lực (máy khuấy, máy bơm bùn, súng bắn nước, tàu cuốc).
Phần lớn các mỏ lộ thiên thế giới ngày nay đều sử dụng máy xúc dung tích gàu

15


10-15 m3 (Bảng 1.2) và hơn đồng bộ với ôtô tải trọng 75-120 tấn và hơn. Ngav ở LB
Nga theo số liệu 1991 thì tổng dung tích gầu dưới 10 m3 chỉ chiếm có 18 %, cịn lại 82
% là dung tích gàu từ 10-100 m3.
Bảng l .2. Đặc tính kỹ thuật của một số máy xúc tay gàu lớn
Hãng, mã hiệu
E, m3
Hdmax,m Rdmax,m
Rxmax,m
N,kW
P, tấn
Busirus-Eric:
290-BII

16,72

8,86

17,22

14,15

1750

542

295-BII

22,8

8,91

17,6

14.86

2333

732,5

395-BII

32,68

9,6

20,42

16,15

2662

963

495-B

40,28

9.45

20,42

16,15

2662

1066.8

1960-AL

10,64

9,75

16,15

14,63

1228

378,7

2100-BL

13,68

9,65

17,53

14,43

1562

585,8

2100-BLE

15,20

9,65

17,53

14,73

2334

494,4

2300-XPA

20,52

9,91

18,7

15,39

3541

704

2800-XPA

34,96

10,46

19,5

16,36

4411

946,6

4100

42,56

10,04

20,02

16,94

4910

1077,3

5700-XP

53,20

13,26

25,48

20,73

4347

1768,5

151-M

7,6

6,78

13,26

10, 74

893,7

213.6

182-M

9,88

8,08

14,88

13,03

1509

330,7

191-M

12,92

8,66

16,46

14,86

2087

499.8

192-MII

15,20

8,66

16,46

14,86

2348

499.8

201-M

20,55

9,52

17,63

15,95

2610

664.5

204-M

25,84

13,31

16,76

15,24

2882

703

301-M

41,04

10,06

19,84

17,5

3428

P&H:

Marion-Presser

1 043,2

Về máy xúc tay gầu kéo cáp, 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° chỉ cịn 29s. 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.
16


Hình 1.7. Minh họa chiếc MXTG 4100-XPB của hãng P&H
Tương tự như máy xúc tay gàu kéo cáp, sau 3 năm nghiên cứu thử nghiệm, năm
2001 hãng chế tạo máy mỏ P&H (Hannisíeger) 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 1.8. Máy xúc gầu treo 2570-WS của hãng P&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.

17


Bên cạnh các thiết bị xúc bóc trên, thì máy bốc (Wheel Loader) đang ngày càng
được sử dụng rộng rãi trên mỏ lộ thiên với chức năng như một thiết bị xúc bóc mới
(Bảng 1.3), đặc biệt đối với các mỏ khai thác vật liệu xây dựng, mỏ có đất đá cứng
nhưng được đập vỡ tốt.
Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật của một số máy bốc của hãng Komatsu
Thông số

WA 700 - 3

VkA 800 - 3

WA 900-3

WA 600-3

8
7

14
11,5

13

11

7,5
6,8

Lực xúc, KN

558

670

679

354

Trọng tải, kg

72200

100900

101500

30

28

28

49200

33,5
_________

Dung tích gầu, m3
- Khi đầy có ngọn
- Khi bình thường

Vmax. km/h

Năm 2001 hãng Komatsu vừa xuất xưởng một sêri WA-1200-3 để cung cấp cho
Australia, Mỹ, Canada và trong nước sau khi đã thử nghiệm 3600 giờ hoạt động với hệ
số sử dụng thời gian 97 % tại mỏ lộ thiên Graffin Coal mà làm việc vẫn tốt, máy có
dung tích gầu 30 m3, áp lực cột nước 1.274 KN, trọng lượng 200 tấn, chạy bằng bánh
lốp, thời gian chu kỳ xúc 31s, có hệ thống điện tử để điều khiển hoạt động của động
cơ, báo hiệu tình trạng làm việc của các chi tiết máy và điều khiển hệ thống thuỷ lực.

Hình 1.9. Máy chất tải CAT 900 tải trọng 66,2 tấn, dung tích gàu 8,9 m 3 - Caterpillar

Tuy nhiên sự kiện được coi là lớn làm thay đổi về chất của công nghệ khai thác
lộ thiên cuối thế kỷ qua là sự ra đời của máy thuỷ lực (MXTL). Từ chiếc MXTL đầu
tiên do hãng Demag chế tạo ra đời 1954 tới nay, trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo
MXTL như Oenstein Koppel, Liebherr (Đức), Orient, Caterpillar (Mỹ), Ankerman,
Volvo, Euclid (Thụy Điển), Polain (Pháp), Uran (Nga), Komatsu, Hitachi, Kobelco
(Nhật),... hãng Komatsu có tới 100 mã hiệu MXTL dung tích gàu từ 0,8-33 m3, hãng
Caterpillar có 50 mã hiệu với dung tích gầu 0,18-27,5 m3, hãng Hitachi có 40 mã hiệu
với dung tích gầu 0,11-25 m3.... Bảng 1.4 giới thiệu những chiếc máy xúc thuỷ lực lớn
nhất của hãng chế tạo máy mỏ nổi tiếng hiện nay.

18

Nhờ các hệ thống pistông thuỷ lực mà giữa gàu xúc với tay gàu, tay gàu với cần
máy, cần máy với thân máy đều có thể quay tương đối với nhau, giúp cho tay gầu và
gàu xúc MXTL có thể tạo nên quỹ đạo xúc bất kỳ, dẫn đến sử dụng lực xúc hợp lý, tiết
kiệm năng lượng, giảm khối lượng máy, giảm mơmen qn tính khi quay, rút ngắn
thời gian chu kỳ xúc, xúc bóc chọn lọc và dọn sạch mặt tầng một cách dễ dàng,...
Bảng 1.4. Những chiếc MXTL đang giữ kỷ lục hiện nay
Dung tích gầu, m3 Trọng lượng, tấn
40
744
33
685

Tên MXTL
H-740-OS (Demag)
H655 s (Demag)

Loại gầu
Thuận
Ngược

R 996 (Liebherr)
R 996 (Liebherr)
RH 400 (Terex Mining)

34
33
52

653

653
900

Thuận
Ngược
Thuận

5230B (Caterpillar)
5230B ME (Caterpillar)

17
27,5

324
326

Thuận
Ngược

PC8000-1 (Komatsu)
PC8000-6 (Komatsu)

38
38

720
720

Thuận
Ngược

EX5500 (Hitachi)
EX5500 (Hitachi)

27
29

518
518

Thuận
Ngược

Bảng 1.5. Đặc tính kỹ thuật của một số chiếc MXTL gàu ngược cỡ lớn
Komatsu
TT

1

Demag

Các chỉ
PC-1600tiêu PC-1600-1
SP-1
H285S
E, m3

8,5

11

8-17,3

2 Hxmax, m

16,35

17,17

3

hxmax,m

13,74

4

Rxmax, m

5
6

Caterpillar

H445S H485 SP 5130 ME 5230 ME
25

33

10-13,6

15,5-24

16,1

18,4

19,2

9,1

9,7

9,36

8,8

10

9

8,4

9.7

20,3

16

17,9

20

21,6

Rxt, m

19,73

15,53

17

19,1

20,5

14.9

16.1

P,tấn

160

176

335

490

685

176,9

314.2

151,2

165,6

196,2

252.1

149,1

189.3

7 P0, KPa

234,5

Chú thích: E- dung tích gàu xúc; Hxmax- chiều cao xúc lớn nhất; hxmax - chiều
sâu xúc lớn nhất; Rxmax- bán kính xúc lớn nhất; Rxt- bán kính xúc trên tầng máy đứng:
P- trọng lượng của máy;P0- áp lực lên nền.

19

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 công 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 ơ Matxcơva, có đất đá với độ kiên cố f <12 (theo thang
Protođiacônov) đang sử dụng hiệu quả loại máy xúc này (EKG-5I, 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 (EKG -12I) theo
đơn đặt hàng của các mỏ lộ thiên khai thác than và quặng khác trong liên bang.

Hình 1.10. Minh họa MXTLGN và MXTLGT làm việc trên mỏ lộ thiên
Trong những năm gần đây nhiều mỏ lộ thiên của CHLB Đức, Mỹ, Australia,
Italia, LB Nga, Nhật, Pháp, Iran, Bồ Đào Nha, Ấn Độ, Anh, Philipin, Hylạp, Mêhicô,
Áo, Đan Mạch, Hà Lan đã sử dụng máy liên hợp phay cắt để khấu trực tiếp đất đá có
độ cứng f = 12 (tương đương độ bền nén một trục 120 MPa) mà không cần khoan nổ
mìn. Theo đánh giá của một số chuyên gia khai thác mỏ Châu Âu thì khi sử dụng máy
liên hợp phay 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 công nghệ truyền
thống.

20


Hiện nay đã có nhiều hãng máy mỏ chế tạo máy liên hợp phay cắt đất đá như
Wirtgen, Kurpp, Man Takraf (CHLB Đức), Huron (Mỹ), Voest Alpile (Áo), Dosco
(Anh),...(Bảng 1.5). Máy liên hợp phay cắt đất đá 4200SM của hãng Wirtgen có cơng
suất tới 1600 Kw, nặng 191 tấn có thể phay cắt đất đá có độ cúng là 1-12 với dải khấu
có chiều dày 0,8 m và chiều rộng 4,2 m.

Máy phay cắt liên hợp của hãng Wirtgen có kết cấu hai hàng xích di chuyển
phía trước và phía sau, ở giữa phía dưới bụng là bộ phận cơng tác hình tang có gắn các
răng phá đá. Đá được cắt và phá tơi sau đó được vận chuyển theo hệ thống băng tải ra
phía sau để rót vào thiết bị vận tải (băng tải, ô tô,...) di chuyển song song với máy phay
cắt, hoặc đổ trực tiếp thành đống dọc theo hướng di chuyển của máy. Các máy liên
hợp phay cắt của hãng Wirtgen được chế tạo và phát triển từ năm 1988 với các seri
1900SM, 2600SM, 3000SM,.... Ví dụ chiếc 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 bộ phận cơng tác 812 mm; tốc độ di chuyển 10 m/ph; trọng lượng máy 27 tấn;
bán kính vịng 20 m; năng suất lý thuyết của băng tải dốc 20° là 1400 m3/h; chiều cao
rót 3800 mm; năng suất lý thuyết của máy là 130 tấn/h.
Máy liên hợp phay cắt có mã hiệu VASM được chế tạo tại nhà máy Voest
Alpine của Áo từ năm 1992. Thiết bị di chuyển bằng bánh xích với cần dài được lắp hệ
thống dao cắt được điều khiển bằng hệ thống thuỷ lực. Quá trình cắt đá liên tục theo
gương bên hông, được gom lại và đưa vào hệ thống vận tải bằng băng tải, điển hình
như chiếc VASM-2D có lực cắt lên đến 100 MPa, tốc độ cắt 604-180 m/s và năng suất
đạt 1600 tấn/h.

Hình 1.11. Máy liên hợp phay cắt Voest Alpine 2D và gương cắt của nó
Bảng 1.6: Đặc tính kỹ thuật một số một số máy phay cắt trên thế giới
Hệ thống

Nhà sản xuất

Khả năng cắt Chiều sâu cắt,
một trục, MPa
m

Tốc độ cắt,
m/ph

Năng suất lớn
nhất, tấn/h

Takraf- Đức Voest
Alpine-Áo

25

0.24-0.7

Không sử dụng

1000

Phá, nghiền

Writgen/ Huron

100

0.0 4-0.6

04-25

2500

Cắt

PWH C-Miner

150

1.84-2.5

04-10

2100

Quay,
Dao động

Voest-Alpine V
ASM-2D

100

Không sử dụng

604-180

1600

BWE

21


1.2.3. Cơ giới hoá khâu vận tải và thải đá
Các phương tiện kỹ thuật để cơ giới hoá khâu vận tải trên mỏ lộ thiên tương đối

phong phú. Về đường sắt, có thể sử dụng các loại đầu máy hơi nước, điện acquy, điện
cần vẹt, điện ắc quy - cần vẹt, điêzen, điêzen- điện. Khi sử dụng vận tải ô tơ thì có ơ tơ
tự lật, ơ tơ kéo mc, ô tô cần vẹt. ở các mỏ lộ thiên hiện đại người ta cịn hình thức
vận tải liên tục là băng tải để vận chuyển đất đá ra bãi thải và quặng về kho chứa.
Ngồi ra cịn có các hình thức vận tải kết họp như trục tải, máng thả quặng, máy nâng.
Hình thức vận tải thuỷ lực (có áp và không áp) cũng được dùng ở một số mỏ lộ thiên
khai thác than, vật liệu xây dựng (cát, sỏi) và một số mỏ sa khoáng khác.
Khâu thải đá ở bãi thải được thực hiện bằng máy xúc (một gàu hoặc nhiều gàu),
bằng tàu gạt (loại tự hành hoặc lắp sau máy kéo), bằng thiết bị thải chuyên dùng (cầu
thải đá, công sơn thải đá, thiết bị ném đá kiểu cơ học, thiết bị ném đá kiểu tuy bin)
hoặc bằng thuỷ lực (có áp hoặc khơng áp).
Bảng 1.7: Những chiếc ô tô tải siêu lớn trong ngành mỏ thế giới
Nước sản Tải trọng Tống trọng
Mã hiệu
Rộng, m
Cao, m Dài, m
xuất
bì, tấn lượng, tấn
CAT 797
Mỹ
231,82
557,82
9,15
7.0
14,5
Euclid R280
Thụy Điển 179,171
435,453
6,3
13,7

8,1
Liebherr TI272
Đức
138,4
410,508
7.9
13,7
6,2
Liebherr T282
Đức
528,59
8,7
6,5
14.5
201
Komatsu 930E
Mỹ
188.014
469,014
8.4
6.4
15.3
Unit Rig
Mỹ
156,298 392.29
7,6
13.9
6,6
MT4400
Unit Rig

Mỹ
201,814
510,2
9,05
8.1
14.8
MT5500
Bảng 1.8. Đặc tính kỹ thuật của một số ô tô tải cỡ lớn
TT
Mã hiệu
q0 tấn
qb, tấn
vmax, km/h
Rq- m
145
50
15
1 BenlA3-7521
180
2 CAT-777C
86
61,79
60,4
12,25
M
3 Dresser-330
85
62,93
68
4 Terex-3311E

85
63,2
46,5
5 Liebherr
331
148,3
6 EUCLID-R85B
77,1
59,9
54
7 HD-549
87
53
64
8 BenlA3-7519
110
85
52
12

Vô m3
70
51,5
53
70
107,8
107,8
51,3
53
44

Ghi chú : qô- tải trọng ; qb — trọng lượng bì; vmax - tốc độ lớn nhất: Rq- bán kính quay nhỏ
nhất: vỏ- dung tích thùng xe.

Đi đơi với việc sử dụng và mở rộng dung tích gầu xúc là tăng tải trọng của ơ tơ
nhằm đảm bảo tính đồng bộ của hai thiết bị chủ yếu này. Hãng sản suất ơ tơ BelA3 có
tới 17 mã hiệu, có tải trọng là 27-200 tấn. BenlA3-75214 có tải trọng 180 tấn và
BenlA3-75202 - 200 tấn. Các ô tô trọng tải từ 27-42 tấn thì truyền động bằng động cơ
thuỷ lực, cịn ô tô tải trọng lớn hơn 27-42 tấn thường sử dụng động cơ điện. Hãng
Caterpillar năm 2000 vừa xuất xưởng sêri ơ tơ mã hiệu CAT-797 có trọng tải 325 tấn.
22


Hãng Liebherr, tại hội chợ MINexpo-2000 đã giới thiệu hai loại ơ tơ khổng lồ là T-272
và T-282 có tải trọng tương ứng là 290 tấn và 325 tấn. Các hãng ô tô khác như
Komatsu, Unit-Rig, Dresser, Euclid,,... cũng sản xuất các loại ơ tơ có trọng tải từ 218300 tấn như 930 E, MT5500,.... Bảng 1.7 giới thiệu những chiếc ơ tơ siêu lớn hiện nay
trên thế giới.

Hình 1.12. Ô tô CAT 777C, tải trọng 96 tấn của hãng Caterpillar trên mỏ Cao Sơn
Những năm cuối thế kỷ XX các nhà chế tạo máy mỏ đã ra sức nghiên cứu tìm
tịi và chế tạo thành cơng nhiều thiết bị xúc bốc vận tải cỡ lớn, trang bị hiện đai nhằm
thoả mãn nhu cầu ngày càng cao của công nghệ khai thác lộ thiên, đúng như tổng kết
của các nhà khoa học mỏ thế giới về những thành tựu của lĩnh vưc này tại Hội nghị mỏ
Brisban (Australia) cuối năm 2000, trong có nhấn mạnh 3 điểm quan trọng là:
1. Về quy mô: tăng sản lượng mỏ, tăng chiều sâu khai thác, nâng cao góc
nghiêng bờ mỏ.
2. Về cơng nghệ: sử dụng thiết bị cỡ lớn với các máy xúc dung tích gàu lớn tới
76,5 m3; ơ tơ trọng tải tới 400 tấn; đường kính lỗ khoan 381-432 mm; thuốc nổ chịu
nước tốt và an toàn; phương tiện nổ điện, điện tử và phi điện,...
3. Về cơ giới hoá - tự động hố: ứng dụng cơng nghệ GPS, điều khiển từ xa

hoạt động của máy khoan và máy xúc, tự động hoá chế độ làm việc của thiết bị, ứng
dụng cơng nghệ mơ phỏng, dự báo chính xác sự cố mỏ và môi trường.
Một số mỏ lộ thiên đảm nhiệm thêm khâu gia cơng chế biến quặng. Đối với
than đó là sàng, tuyển và phân loại. Đối với quặng đó là tuyển, làm giàu chất lượng
hoặc phân loại quặng. Còn đối với mỏ đá là nghiền sàng và phân loại theo cỡ hạt. Cơ
giới hoá khâu này là các máy tuyển, máy sàng (sàng ống, sàng que) máy nghiền
(nghiền côn, nghiền má, nghiền trục, nghiền roto, nghiền búa) và các bộ phận liên hợp
nghiền sàng di động hoặc cố định.
Khi chọn sơ đồ công nghệ và phương tiện cơ giới hoá cho mỗi khâu sản xuất
phải xuất phát từ điều kiện cụ thể về tự nhiên, về kỹ thuật và kinh tế của khoáng sàng
mà quyết định phương án.

23


CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN
2.1. Khái niệm về hệ thống khai thác mỏ lộ thiên
Để thu hồi khoáng sản rắn làm nguyên nhiên vật liệu phục vụ cho các ngành
công nghiệp trong nền kinh tế quốc dân, ở nước ta thường dùng phương pháp khai thác
lộ thiên. Tuỳ theo điều kiện cụ thể về điều kiện địa hình, cấu tạo thân khống, quy mơ
sản lượng, thiết bị sử dụng,... người ta đã áp dụng nhiều phương pháp khai thác khác
nhau, mà trong thực tế sản xuất cũng như trong các sách vở, giáo trình,...người ta vẫn
dùng thuật ngữ “ Hệ thống khai thác - HTKT”. HTKT của một mỏ lộ thiên (nói chung)
được định nghĩa là “ Trình tự và phương thức xác định để hồn thành các cơng tác
chuẩn bị, xúc bóc và khai thác, đám bảo cho mỏ lộ thiên hoạt động được an toàn, hiệu
quà kinh tế cao, thu hồi tối đa tài nguyên lịng đất và bảo vệ tốt mơi trường
HTKT của mỏ lộ thiên có liên quan chặt chẽ tới việc sử dụng đồng bộ các thiết
bị trong mỏ. HTKT được coi là hợp lý khi bảo đảm việc khai thác mang lại hiệu quả
kinh tế. các máy móc thiết bị dùng trong các q trình sản xuất chính và phụ hoạt động

an toàn và năng suất cao. Mối liên quan giữa HTKT với đồng bộ thiết bị sử dụng thể
hiện ở sự tương thích giữa các thơng số làm việc của khai trường (chiều cao và chiều
rộng của tầng công tác, chiều rộng tầng vận chuyển, độ dốc đường hào, chiều dài
tuyến công tác, chiều rộng và chiều dài luồng xúc v.v...) với đặc tính kỹ thuật của các
thiết bị sử dụns trong mỏ.
Tuỳ theo tiêu chí so sánh mà có nhiều cách phân loại HTKT khác nhau.
a.Phương pháp phân loại thứ nhất (E.F. Sesko)
1. HTKT thải đá trực tiếp, còn có thể gọi là CNKT khơng có vận chuyển. Đất
đá thải được chuyển trực tiếp vào bãi thải bằng máy xúc hoặc thiết bị thải đá, mà
không cần phương tiện vận chuyển.
2. HTKT có vận chuyển. Đất đá được đưa vào bãi thải bằng các phương tiện
vận chuyển - thường là đường sắt hoặc ôtô, đôi khi bằng băng chuyền.
3. HTKT hỗn hợp - đồng thời sử dụng cả hai hình thức thải trực tiếp và dùng
phương tiện vận chuyển để đưa đất đá vào bãi thải.
b. Phương pháp phân loại thứ hai (N.v. Menhikov)
1. HTKT có vận chuyển. Đất đá được đưa vào bãi thải bằng máy xúc chuyển
tiếp hoặc trực tiếp bằng máy xúc ở gương công tác.
2. HTKT có thiết bị thải đá. Đất đá được đưa vào bãi thải trong bằng các thiết bị
thải di động như cầu thải đá hoặc thiết bị bãi thải.
3. HTKT đặc biệt. Đất đá được đưa vào bãi thải bằng máy xúc có tháp, máy xúc
tải chạy bằng bánh lốp; phương pháp cơ - thuỷ lực, hoặc bằng cần cẩu cáp.
4. HTKT có vận chuyển - đất đá thải được vận chuyển bằng đường sắt, ôtô,
băng chuyền vào bãi thải trong hoặc bãi thải ngoài.
5. HTKT hỗn hợp. Thường đất đá ở các tầng trên được vận chuyển ra bãi thải ngồi
hoặc bãi thải trong, cịn đất đá ở các tầng dưới được đưa vào bãi thải trong trực tiếp bằng
máy xúc hoặc cầu thải đá. Hoặc phối hợp các hình thức khác của hệ thống 1, 2, 3 và 4.
24


c. Phưong pháp phân loại thứ ba (V.V. Rjepxki)

Hai phương pháp phân loại trên dựa vào phương thức vận chuyển đất đá do đó
nó chưa phản ánh đầy đủ nhũng đặc tính cơ bản của từng HTKT. Trong những năm
gần đây, HTKT được phân loại trên cơ sở trình tự tiến triển cơng trình, phương tiến
triển cơng trình và vị trí bãi thải của mỏ lộ thiên. Với phưong pháp phân loại này, các
HTKT được chia thành hai nhóm - nhóm khơng xuống sâu (A) và nhóm xuống sâu
(B). Trong mỗi nhóm (A và B) có bốn loại HTKT và trong mỗi loại được phân biệt với
nhau theo số lượng bờ cơng tác, vị trí bãi thải và hướng phát triển theo mặt cắt thẳng
đứng của cơng trình mỏ (Bảng 2.1).
Nội dung của công tác thiết kế là chọn HTKT và đồng bộ thiết bị sử dụng trên
cơ sở lập luận khoa học và so sánh các chỉ tiêu kinh tế của các phương án, tính tốn
các yếu tố của hệ thống khai thác (chiều cao tầng, chiều rộng mặt tầng công tác, chiều
dài luồng xúc hợp lý,...) và các thơng số chủ yếu của mỏ lộ thiên (kích thước khai
trường, góc nghiêng bờ mỏ,...).
Kí
hiệu

Hướng phát triển theo bình đổ

Vị trí bãi thải

Hướng phát triển theo
mặt cắt

Nhóm HTKT khơng xuống sâu (A)
AD
AN
AR
AV

Dọc. một bờ công tác (m)

Với bãi thải trong Lớp ngang (ng) hoặc
Dọc, hai bờ công tác (h)
(a) hoặc bãi thải lớp dốc nghiêng (d)
Ngang, một bờ công tác (m)
ngồi (b)
Ngang, hai bờ cơng tác (h)
Rẽ quạt, tâm quay cố định (c)
Rẽ quạt, tâm quay thay đổi (t)
Vành khuyên ly tâm (g)
Vành khuyển hướng tâm (n)
Nhóm HTKT xuống sâu (B)

BD Dọc, một bờ công tác (m)
Dọc, hai bờ công tác (h)
BN Ngang, một bờ công tác (m)
Ngang, hai bờ công tác (h)
BR Rẽ quạt, tàm quay thayđổi (t)
BV Vành khuyên ly tâm (g)

Với bãi thải ngoài Lớp ngang (ng) dốc
(b)
nghiêng (d) hoặc dốc
đứng (đ)

2.2. Hệ thống khai thác có đáy mỏ hai cấp

2.2.1. Cơ sở thực tiễn khoa học
Sự hình thành đáy mỏ nhiều cấp là do quá trình thi công chuẩn bị tầng mới theo
một trật tự xác định, trong điều kiện chiều dài đáy mỏ theo đường phương lớn và số
lượng thiết bị nhiều.

Trong điều kiện cụ thể của nhiều mỏ lộ thiên Việt Nam: chiều dài theo đường
phương hạn chế, số lượng thiết bị không nhiều, khai thác xuống sâu dưới mức thoát
nước tự chảy, mưa nhiều,...thì việc sử dụng hệ thống khai thác có hai cấp đáy mỏ là
hợp lý vì những lý do sau:

25