tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 25 độ vùng quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT


BÙI THANH NHU




NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ
CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DI ĐỘNG DÙNG TRONG
KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CÓ GÓC DỐC ĐẾN 25
0

VÙNG QUẢNG NINH


Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62.52.01.16


TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT





HÀ NỘI - 2014

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Máy và thiết bị mỏ,

Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất





Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Đinh Văn Chiến, Trường Đại học Mỏ - Địa chất
2. PGS.TS. Tăng Huy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Phản biện 1:
PGS.TS. Hoàng Văn Gợt, Viện NCCK Bộ Công Thương

Phản biện 2:
PGS.TS. Trần Văn Dũng, Trường Đại học Bách Khoa - Hà Nội

Phản biện 3:
TS. Nguyễn Hữu Liên, Bộ khoa học Công nghệ









Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại
Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc
Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
- Theo chiến lược phát triển ngành than đến năm 2020, tầm nhìn đến năm
2030, sản lượng than khai thác dự kiến khoảng 50 triệu tấn, trong đó khai
thác hầm lò chiếm tỉ lệ ngày càng lớn.
- Có nhiều loại thiết bị chống giữ trong hầm lò, tuy nhiên cho đến nay, giá
khung thủy lực là loại được nhiều mỏ lựa chọn để đưa vào chống giữ do
nhiều ưu điểm về kết cấu, vận hành, an toàn và hiệu quả.
- Tuy nhiên, việc áp dụng thiết bị chống lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố
như điều kiện địa chất, thế nằm của vỉa, áp lực mỏ, mức độ bùng nền, công
nghệ khai thác…Vì vậy để sử dụng có hiệu quả các loại giá khung thủy lực
di động trong điều kiện hầm lò Việt Nam cần phải có những nghiên cứu,
đánh giá, lựa chọn những thông số hợp lý dùng phù hợp trong khai thác
hầm lò. Do vậy việc: “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá
khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến
25
0

vùng Quảng Ninh” của đề tài là cấp thiết và đúng hướng.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra một phương pháp tính
toán nghiệm bền dựa trên các cơ sở lý thuyết, thực nghiệm để lựa chọn
được kích thước hợp lý của mái trên, cột chống giá khung thủy lực di động

loại ZH 1600/16/24Z phù hợp với điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng
Quảng Ninh có góc dốc đến 25
0
.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng cụ thể là giá khung thủy lực di động loại ZH 1600/16/24Z, đó
là loại giá khung được sử dụng ở Nam Mẫu, Vàng Danh,…, bước đầu
được đánh giá tương đối phù hợp với điều kiện kỹ thuật khai thác than mỏ
hầm lò.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán kích thước hợp lý, nghiệm bền
chi tiết mái trên và cột chống của giá khung thủy lực di động ZH
1600/16/24Z trong điều kiện góc dốc vỉa đến 25
0
.

2
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lập trình tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
5.1. Ý nghĩa khoa học:
- Thực nghiệm: Thống kê áp lực làm việc của giá khung thủy lực di động
tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, thông qua đo đạc áp suất trong
xylanh khi làm việc.
- Xây dựng phương pháp tính toán lựa chọn thông số hình học, vật liệu của
mái trên, cột chống hợp lý, phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than
hầm lò vùng Quảng Ninh.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và lựa
chọn giá khung thủy lực di động phục vụ khai thác than hầm lò. Các kết
quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị tư vấn

thiết kế mỏ và thiết bị mỏ, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại
học và sau đại học.
6. Nội dung luận án
Luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý
thuyết và mô phỏng quá trình chịu lực, độ ổn định và khảo sát thực tiễn giá
khung thủy lực di động chống ở mỏ hầm lò. Nội dung luận án gồm 4
chương chính làm rõ một số vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu lựa chọn một
số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác
than hầm lò có góc dốc đến 25
0

vùng Quảng Ninh”.
7. Luận điểm bảo vệ
- Thực nghiệm: Thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc có thể
tính toán áp lực làm việc thực tế của giá khung thủy lực di động tại các mỏ
than hầm lò vùng Quảng Ninh.
- Dùng giả thiết thanh hai bậc, ứng suất tương đương Von-Mises để tính
toán độ bền, độ ổn định của cột chống.
3
- Sử dụng phương pháp lập trình tính toán được các kích thước hợp lý
dành cho mái trên và cột chống dựa trên các điều kiện: tải trọng ban đầu và
vật liệu chế tạo.
- Tính toán, lựa chọn được kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống giá
khung thủy lực ZH 1600/16/24Z trong điều kiện làm việc góc dốc đến 25
o
.
8. Điểm mới của luận án
- Xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập được
mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá với
lực tác dụng.

- Từ lý thuyết cơ sở đã xây dựng được các quan hệ để tính toán độ dày
thành xylanh cột chống phụ thuộc vào áp suất trong xylanh và giới hạn bền
của vật liệu, giá trị áp suất lớn nhất mà xylanh có thể làm việc với giới hạn
bền của vật liệu cho trước. Việc tính toán độ ổn định của xylanh cột chống
với mô hình thanh chịu nén đúng tâm có tiết diện hai bậc phản ánh đúng
điều kiện làm việc của cột chống và làm căn cứ xác định chính xác hơn kết
quả tính toán.
- Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động đang
sử dụng trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu
thống kê và kết quả thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong
nước tại Công ty than Nam Mẫu, khẳng định sự cần thiết lựa chọn thông
số giá khung dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật mỏ than vùng Quảng
Ninh để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị.
- Xây dựng phương pháp lựa chọn thông số hợp lý của giá khung thủy lực
di động dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than hầm lò vùng
Quảng Ninh.
- Từ phương pháp đề xuất, xác định được một số thông số hợp lý của mái
trên và cột chống theo điều kiện làm việc của mỏ hầm lò có góc dốc đến
25
0
.

4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG KHAI
THÁC THAN HẦM LÒ
1.1 Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ
hầm lò vùng Quảng Ninh
Qua kết quả đánh giá tổng hợp điều kiện địa chất–kỹ thuật mỏ các khu
vực có khả năng áp dụng cơ giới hoá có thể nhận định rằng, để triển khai
áp dụng rộng rãi công nghệ khai thác cơ giới hoá khấu than tại vùng

Quảng Ninh cần tiến hành tập trung nghiên cứu giải quyết xây dựng các sơ
đồ công nghệ khai thác cơ giới hoá trong một số phạm vi điều kiện áp
dụng. Trong các phạm vi giới hạn về chiều dày và góc dốc vỉa, khi lựa
chọn mô hình cơ giới hoá cần đề cập đến mối tương quan với yếu tố chiều
dài theo phương khu vực khai thác.
1.2. Giới thiệu thiết bị chống ở một số nước trên thế giới
1.3. Giới thiệu thiết bị chống ở các mỏ hầm lò Việt Nam
Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z
Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z là sản phẩm chống đỡ loại
nhẹ giữa giá chống xà treo và giá chống thủy lực trong khai thác than do
Trung Quốc chế tạo, được nhập và sử dụng tại Việt Nam từ năm 2006
Ưu điểm:
+ Diện tích chống đỡ lớn, cường độ chống đỡ cao.
+ Thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, di động linh hoạt, dễ lắp ráp, dễ điều
khiển.
+ Tháo lắp đơn giản, thuận lợi cho công tác vận chuyển.
+ Toàn bộ giá liên kết thành tổ hợp bằng xà đỡ, nâng cao tính ổn định của
giá, tạo một môi trường làm việc an toàn.
+ Thao tác đơn giản, nâng cao trình độ tự động hóa, giảm bớt cường độ lao
động của công nhân.
5
Nhược điểm: Khả năng kết hợp với cơ giới hóa không cao
TT
Các thông s
ố kỹ thuật c
ơ
bản
Đơn vị

Giá trị

1 Chiều cao tối đa

mm 2400

2 Chiều cao tối thiểu

mm 1600

3 Hành trình cột

mm 800

4 Chiều rộng giá chống

mm 960

5 Chiều dài giá chống

mm 2900

6 Bước tiến của tấm đỡ gương

mm 800

7 Tải trọng làm việc

kN 1600

8 Tải trọng ban đầu

kN 950

9 Áp suất bơm

MPa 31,5

10 Số lượng cột chống

cái 04

11 Đường kính xi lanh

mm 110

12 Góc dốc làm việc của giá độ

25
Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z

Hình 1.2. Mô hình tổng quát giá khung thủy lực di động
Hình chiếu đứng
Hình chiếu bằng
Hình chiếu cạnh

6
1.4. Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc và Việt Nam;
Vấn đề nghiên cứu của luận án
1.4.1. Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc
Trong quá trình làm việc của giá khung, bộ phận chịu tải chủ yếu là
mái trên, do đó để tiến hành thiết kế và phân tích giá khung nói chung cần
phải tiến hành phân tích các tình huống chịu tải của mái trên. Trong diện
khấu tổng thể, do vách vỉa bất định, không bằng phẳng và tồn tại những
khối đất đá, nên các tình huống làm việc khắc nghiệt của mái trên về
phương diện chịu tải được chia làm 4 hình thức chủ yếu sau đây: Mái trên
chịu tải trọng tập trung về hai phía; Mái trên chịu tải tập trung tại chính
giữa; Mái trên chịu tải xoắn; Mái trên chịu tải lệch một bên.
1.4.2. Tại Việt Nam
1.4.2.1. Phương án 1: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực
phân bố Q=320N/mm, với khoảng cách các cột là Lmin = 1,95m. Có xét
đến bước sập đổ 0,8m.
1.4.2.2. Phương án 2: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực
phân bố Q = 320N/mm, với khoảng cách các cột là Lmax = 1,95m. Không
tính đến bước sập đổ.
1.4.2.3. Phương án 3: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực
phân bố Q=560N/mm, với khoảng cách các cột là Lmax = 1,95m. Không
tính đến bước sập đổ và các lực tác động khác.
1.4.3. Vấn đề nghiên cứu của đề tài luận án
Từ những kết quả nghiên cứu về thiết bị chống trong khai thác hầm
lò ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy: Việc áp dụng giá

khung di động tại các mỏ than hầm lò là phù hợp. Đã nâng cao hiệu quả,
an toàn, giảm tổn thất tài nguyên trong khai thác than hầm lò.
Việc nghiên cứu, tính toán của nhóm nghiên cứu tại Việt Nam cũng
như trên thế giới đã đưa ra khá phong phú phương pháp nghiệm bền khung
giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z, mặc dù vậy mỗi phương pháp đều có
những ưu điểm, nhược điểm khác nhau. Những phương pháp này chủ yếu
7
đi sâu về nghiệm bền chi tiết đã có sẵn dựa trên các công thức sức bền vật
liệu kinh điển và mô phỏng mà chưa chỉ ra được phương pháp tính toán
kích thước hình học cụ thể theo từng điều kiện làm việc.
Chính vì vậy trong luận án này NCS sẽ tiếp tục nghiên cứu, tính toán,
đưa ra phương pháp nghiệm bền, lựa chọn kích thước hợp lý cho chi tiết
chính của giá khung thủy lực di động ZH 1600/16/24Z (mái trên và cột
chống) trong khai thác than hầm lò có góc dốc vỉa đến 25
0
vùng Quảng
Ninh.

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN, GIÁ
KHUNG THỦY LỰC
Giá khung thủy lực dùng để chống giữ khoảng không gian trong khai
thác hầm lò. Để tính toán thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực cần
nghiên cứu lý thuyết về tác động tương hỗ giữa vì chống và đá mỏ; ảnh
hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì chống và
đá vách; lý thuyết áp lực mỏ.
Trên cơ sở đó tiến hành tính toán, thiết kế giá khung dùng phù hợp
trong điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.
2.1. Tác động tương hỗ giữa vì chống và đất đá mỏ
2.2. Ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì
chống và đá vách

2.3. Một số giả thuyết về áp lực mỏ
2.4. Lý thuyết về sức bền vật liệu
Như vậy nội dung trong chương 2 của luận án đã phân tích sự tác
động tương hỗ của đất đá mỏ với giá khung thủy lực, làm rõ bản chất của
quá trình chuyển vị và biến dạng các bộ phận của giá khung như mái trên,
cột chống ứng với dịch chuyển của đá vách. Đồng thời tìm hiểu ảnh hưởng
của các quá trình sản xuất đến quan hệ của vì chống và đá vách là khấu
than, chống giữ lò chợ và điều khiển đá vách. Lý thuyết về ống dày cho
phép xác định được chiều dày xylanh cột chống, bán kính trong của cột và

8
kết cấu mái nhằm mục đích giảm thiểu khối lượng và lựa chọn được kết
cấu hợp lý. Định luật Húc cho phép tính toán sự chuyển vị và biến dạng
của mái trên, cột chống.
Dựa vào lý thuyết nêu trên, cho phép tính toán, lựa chọn một số
thông số hợp lý của giá khung thủy lực dùng trong khai thác than hầm lò
vùng Quảng Ninh có góc dốc đến 25
0
.

Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ
THÔNG SỐ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC
3.1. Nghiên cứu khả năng chịu tải của giá khung
3.1.1. Các bước công nghệ khai thác than

3.1.2. Số liệu về việc sử dụng giá khung thủy lực di động của Tập đoàn
Than- Khoáng sản Việt Nam (phụ lục 4)

- Tập đoàn đã có 10 công ty trong đó 41 lò chợ hiện đang sử dụng
giá khung thủy lực di động vào việc chống giữ lò chợ. Chiều dài lò chợ từ
40 đến 140 m; độ dốc lò chợ từ 5 đến 25 độ; áp suất làm việc: Thấp nhất là
7 MPa, cao nhất là 31 MPa
9
- Biểu đồ mô tả số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo
áp suất lò chợ tác dụng lên giá khung(hình 3.1).

Hình 3.1. Số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo áp suất
lò chợ tác dụng lên giá khung.
3.1.3. Kết quả áp dụng thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo
trong nước tại Công ty than Nam Mẫu - Vinacomin
- Phần cơ khí các giá khung đảm bảo chắc chắn, chống giữ lò chợ đảm bảo
an toàn, khả năng làm việc ổn định.
- Hệ thống thủy lực được nhập khẩu đảm bảo cung cấp dịch cho giá khung
hoạt động ổn định. Cột chống sản xuất trong nước chất lượng tốt, hoạt
động bình thường, đảm bảo chống giữ lò chợ.
- Việc theo dõi áp lực mỏ lên các bộ giá khung thử nghiệm trong lò chợ
được tiến hành đo đạc thường xuyên trong các ca khai thác bằng đồng hồ
71.40%
22.90%

5.70%
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
100.00%
7 ÷ 15 15 ÷ 30 30 ÷ 31,5
p(MPa)
Số lượng lò chợ (%)
10
đo áp lực tự ghi kỹ thuật số LEO Record (Ei). Đồng hồ được lắp đặt tại cột
chống luồng phá hỏa bên phải giá số 5
- Qua theo dõi diễn biến áp suất tại mười bộ giá khung áp dụng thử
nghiệm, áp suất dao động trong khoảng từ 6  19 MPa, nằm trong khả
năng chịu tải của giá khung, không có các biến động lớn gây
nguy hiểm đến công tác an toàn, các biến động nhỏ nằm trong tầm
kiểm soát, các bộ giá khung vẫn đảm bảo chống giữ lò chợ ổn định.
Nhận xét: Từ 2 số liệu của Ban cơ khí Tập đoàn Than- Khoáng sản
Việt Nam và theo dõi thử nghiệm tại Công ty than Nam Mẫu của Viện
khoa học và công nghệ mỏ cho thấy áp lực mỏ dao động trong khoảng từ 6
– 31MPa. Số liệu này để làm căn cứ cho việc tính toán giá khung của luận
án.
3.1.4. Phân tích về khả năng chịu tải của giá khung:
- Trong khi làm việc tổng tải trọng lớn nhất tác dụng lên mái là Q =

160 tấn, tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột chống thủy
lực (hình 3.5).
- Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng hình chỏm
cầu, chính vì vậy có thể “tự lựa” trong quá trình vận hành.
- Giả thiết trong quá trình làm việc tải trọng được phân bố đều trên toàn bộ
diện tích mặt trên của mái(hình 3.7)
- Tải trọng tác dụng lên các cột chống được lấy gần đúng là P= Q/4
- Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 0
0
cho tới 25
0
tải trọng tác dụng lên
giá khung được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn (


Q Qcos
  
)
11
3.5

Hình 3.6. Kết cấu của cột chống thủy lực




Hình 3.7. Giả thiết về khả năng chịu tải của mái trên
3.2. Tính toán mái trên
3.2.1. Thiết lập công thức kiểm nghiệm độ bền mái trên.

Hình 3.8. Mô hình tính toán kiểm nghiệm bền cho mái trên
Hình 3.5. Giá khung th
ủy lực ZH 1600/16/24Z

12
Phương trình cân bằng lực và mô men được xác định như sau:


0
21


qLRRPY
i
(3.1)
 
0
222
1
2
212
2

1
2
0









L
L
qLLRq
L
q
L
PM
iA
(3.2)
Suy ra:






















1
2
2
2
0
011
1
2
0
2
2
212
2
1
2
1
2

1
2
1
L
LL
LLqR
L
LL
LLqR
(3.3)
Tính toán mô men quán tính mặt cắt ngang
Diện tích các phần của mặt cắt được xác định là:
00332211000333222111
hb4hb4hb2hbFhbF;hbF;hbF;hbF 

(3.12)
Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt được xác định
như sau:
12
hb
J;
12
hb
J;
12
hb
J;
12
hb
J

3
00
0x
3
33
3x
3
22
2x
3
11
1x

(3.13)
Mô men tĩnh của các mặt cắt ứng với trục OX được xác định như sau:
     
x1 1 0 1 x2 0 2 2 x3 3 0 3 x0
1 1 1
S h h F;S h h F;S h h F;S 0
2 2 2
         
(3.14)
Tổng mô men tĩnh của các mặt cắt ứng với trục Ox được xác định như sau:
     
2
03220101x
hh
2
1
4Fhh

2
1
2Fhh
2
1
S 

(3.15)
Tọa độ trọng tâm của mặt cắt được xác định là:
     
0x;
hb4hb4hb2hb
hbhh2hbhhhbhh
2
1
y
c
00332211
33
2
0322201101
c




(do mặt cắt đối xứng qua
oy) (3.16)

b
2
h
3
h
0
h
2
b
1
h
1
b
3
b
0
x
1
x
2
0
xX 

x
3
Y


Hình 3.9. Tiết diện mặt cắt ngang của mái trên
13
Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt và mô men tổng
được xác định:
2
c
x1 x1 1 0 1
2
c
x2 x2 0 2 2
x x1 x2 x3 x0
2
c
x3 x3 3 0 3
2
x0 x0 c 0
y
1
I J h h F;
4 2
y1
I J h h F ;
I I 2I 4I 4I
4 2
y1

I J h h F ;
4 2
I J y F


 
   

 
 


 

   

 
    

 

 

   
 

 

 



(3.17)
Tính toán giá trị y
max
:




















c
0
3c
0
1max

y
2
h
h;y
2
h
hmaxy
(3.18)
Ứng suất nguy hiểm nhất được xác định như sau:




max
x
x
Max
u
y
I
zMMax


(3.19)
Trong đó:
  








2
2
2
0
2
1
2
0x
qL
2
1
;
2
qL
q2
R
;qL
2
1
MaxzMMax
(3.20)
3.2.2. Nghiệm bền mái trên của giá khung ZH 1600/16/24Z
Bảng 3.1. Kết quả tính toán của mái trên trường hợp chịu tải 160 tấn


mm

mm
2


mm
3


mm
4


mm
b0
12
F0

2400
S0x

0
I0x

8969839.3
Yc
-20.1

I2x

960

F1

11520

S1x

-
1221120

I1x

85137715 Ymax1

91.99

b2

12
F2

1656
S2x

-51336
I2x

2824740.8
Ymax2

160.2

b3
80
F3

1600
S3x

176000
I3x

27135878
Ymax
160.2

h0
200

F
S


30832

Sx
S

-619792

Ix
S

235210067


h1

12
14
h2
138


h3

20

Hình 3.10. Tiết diện ngang hợp lý của mái trên
+ Tiết diện mặt cắt ngang hợp lý của mái trên tương ứng trường hợp
160T, độ bền cho phép[] =510 MPa, hệ số an toàn n = 1.5(hình 3.10)
+ Ứng suất lớn nhất được xác định là:


3.2.3. Ứng dụng mô phỏng vào nghiệm bền kết cấu mái trên
Do tính chất đối xứng về mặt hình học, đồng thời tiết kiệm phần tử khi
tính toán, tiến hành mô phỏng tính toán cho 1/2 phôi. Vật liệu được sử
dụng có mô đun đàn hồi E = 200 GPa; hệ số poát xông 0.3; Kiểu bài toán:
tính toán tĩnh (Static General)




 
 
8
x
Max
u max
8
x
Max M z
3.78 10
y 160.2 257.2 MPa
I 2.12 10



     

15

Hình 3.11. Mô hình hình học khi mô phỏng tính toán
khả năng chịu tải mái trên
Kết quả tính toán mô phỏng
A B
C D
Hình 3.8. Các thành phân
ứng suất chính A, B, C;
biến dạng tương đương
của mái D


Nhận xét:
Bằng cả 2 phương pháp tính toán bằng giải tích hay mô phỏng đều
cho kết quả là kết cấu mái trên an toàn trong quá trình làm việc. Bằng việc
sử dụng phương pháp giải tích sẽ tính toán được hình dạng tiết diện ngang
hợp lý cho mái trên, từ đó thiết kế mô hình 3D cho mái và mô phỏng để
kiểm nghiệm lại, làm căn cứ cho tối ưu về hình dạng.
3.3. Nghiên cứu tính toán, nghiệm bền cột chống
Trong khi làm việc tổng tải trọng lớn nhất tác dụng lên mái là Q
max
=
160 tấn (Hình3.5), tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột
chống thủy lực. Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng
Hình 3.6. Chuyển vị của mái
Hình 3.7. Ứng suất tương đương Von – Mises

Hình 3.14. Các thành phần ứng suất chính A,B,C; biến
dạng tương đương của mái D

Hình 3.12. Chuyển vị của mái
Hình 3.13. Ứng suất tương đương
Von
-

Mises

16
hình chỏm cầu, chính vì vậy có thể “tự lựa” trong quá trình vận hành. Khi
tính toán có thể coi cột chống là một thanh chịu lực nén đúng tâm
3.3.1. Tính toán độ bền piston
Piston là một thanh hình trụ, có bán kính là r
pt
, trong quá trình làm việc
chịu lực nén đúng tâm là Q, làm bằng vật liệu có ứng suất bền cho phép là
[], như vậy bán kính nhỏ nhất của piston được xác định
bởi công thức sau đây:
1
min,pt
][
Q
r



3.3.2. Tính toán độ bền xylanh
Xylanh làm việc an toàn khi:

Chiều dày tối thiểu của thành xylanh được xác định là:


3.4. Tính toán độ ổn định của cột chống
Để tính toán có thể coi cột chống là thanh hai bậc, có hai đoạn với
các thông số mô men quán tính tiết diện và chiều dài khác nhau, piston có
chiều dài L
1
và momen quán tính tiết diện là I
1
; tương ứng xylanh là L
2
và
I
2
, bị nén đúng tâm(Hình 3.6). Tải trọng tới hạn của cột chống được xác
định chính là nghiệm của phương trình[21]:








0LKsinLKcosKLKsinLKcosK
1122222111





2
2
1
1
2
2
2
1
1
1
4
1
4
22
4
pt1
EI
1
y;
EI
1
y;
EI
l
x;
EI

l
x;rr
4
I;r
4
I 





Sử dụng phương pháp đồ thị để tìm ra nghiệm của phương trình lượng giác
trên là giao điểm của 2 đường cong H(Q) và G(Q) (hình 3.21). Từ đó xác
định được tải trọng tới hạn mà cột có thể chịu là 105.4 Tấn, như vậy cột
chống an toàn trong điều kiện làm việc.
Kết quả nghiên cứu trong chương 3 đưa ra được như sau:
. - Trên cơ sở các lý thuyết tính toán và nguyên lý làm việc của
chương 1 và chương 2 trong chương này đã đạt được những kết quả sau
 
 
 
2
4 4
1
eq 2 1
2 2
2 1
r
max p 1 3r / r
r r

     

   
1
1
2 2
2r
s r / u
1 2 3
p p
  
    
    
   
   
17
- Thiết lập được công
thức tổng quát để tính
toán độ bền của mái
trên và cột chống.
Ứng dụng vào trường
hợp cụ thể là giá
khung 1600/16/24Z
- Sử dụng phương pháp mô phỏng để kiểm nghiệm lại độ bền của mái trên
để tăng thêm độ tin tưởng của các tính toán
- Các kết quả tính toán đều cho thấy mái trên và cột chống đều thừa bền,
nên để tối ưu về kích thước cũng như giảm khối lượng kết cấu, trong
chương 4 dưới đây sẽ trình bày phương pháp tính toán để lựa chọn ra các
thông số tối ưu cho kết cấu mái
Chương 4: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ

CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DÙNG TRONG KHAI THÁC HẦM
LÒ VÙNG QUẢNG NINH CÓ GÓC DỐC ĐẾN 25
O
4.1. Tính toán lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung
4.1.1. Phương pháp tính toán để xác định một số thông số hợp lý
Trong chương này chủ yếu đi sâu vào tính toán hợp lý kích thước của
mái và cột bằng việc sử dụng các phương trình có liên quan đã được thiết
lập từ chương 3. Sau khi thay đổi tải trọng và vật liệu sẽ nhận được các
kích thước hợp lý cho chi tiết trong từng trường hợp, tiến hành thiết kế mô
hình 3D trên phần mềm SOLIDWORK và mô phỏng nghiệm bền lại chi
tiết trên phần mềm ABAQUS, để tăng thêm độ tin cậy của những kết quả
tính toán nhận được. Phương pháp thực hiện để xác định một số thông số
hợp lý sẽ được trình bày theo sơ đồ dưới đây:


Hình 3.19. Đồ thị xác định tải
trọng tới hạn của cột chống

Hình 3.21. Đồ
thị xác định tải
trọng tới hạn
của cột chống

Giá trị của H (Q); G (Q)
Tải trọng tác dụng lên cột chống (Tấn)
18
4.1.2. Tính toán lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên
Theo những tính toán ở Chương 3 để xác định được các kích thước
cho mái an toàn trong điều kiện làm việc cần thỏa mãn điều kiện sau:





 
 









min424
33221100
max
hbhbhbhbF
y
I
zMMax
x
x
Max
u

(4.6)
Tiến hành thiết kế sao cho mái nhẹ nhất mà vẫn đảm bảo độ bền

4.1.2.1. Thuật toán để xác định các kích thước hợp lý cho mái trên
Để thỏa mãn được điều kiện trên, thực hiện thuật toán “vét cạn” trên
ngôn ngữ lập trình C, trong đó: Tải trọng thiết kế P
tk
thay đổi từ 100 Tấn
đến 160 Tấn; ứng suất cho phép của vật liệu [] thay đổi từ 340 MPa đến
490 MPa; chiều dày tấm b
0
thay đổi từ 10 mm đến 20 mm; chiều cao h
0

thay đổi từ 100 mm đến 250 mm. Các thông số khác được giữ nguyên đó
là: b
1
=960 mm, b
3
=80 mm, h
2
=138 mm, h
3
=20 mm. Phương pháp tính
toán hợp lý được thể hiện bởi sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị
kích thước hợp lý cho mái dưới đây:

4.1.2.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý(hình 4.1)
4.1.2.3. Thiết kế, nghiệm bền chi tiết mái trên
Trong phần này nghiên cứu 3 trường hợp làm việc cụ thể của chi tiết,
tương ứng tải trọng tác dụng lên giá khung là 120, 140, 160 Tấn; vật liệu
chế tạo là thép 16MnSi có ứng suất chảy là 510 MPa, hệ số an toàn được
chọn là n = 1.5, nên có ứng suất cho phép [] =510/1.5 = 340 MPa. Căn cứ

vào bảng 4.1 lựa chọn được các kích thước hợp lý của b
0
và h
0
như sau:
Sau khi thiết kế xong mô hình 3D của mái, tiến hành mô phỏng nghiệm
bền lại độ bền của chi tiết khi làm việc ở từng điều kiện cụ thể. Kết quả
tính toán được thể hiện trong hình 4.3, 4.4, 4.5.

19










Từ kết quả tính toán cho thấy:
- Ứng suất tại các phần tử của mái trên đều có giá trị nhỏ hơn ứng suất cho
phép [] =340 MPa, tức là mái trên đảm bảo an toàn trong điều kiện làm
việc.
- Các trường hợp mô phỏng đều chỉ ra rằng:
Chuyển vị lớn nhất đều nằm giữa mái.
- Diện tích mặt cắt ngang của mái trên hiện tại đang sử dụng cho trường
hợp tải trọng 160 tấn, vật liệu chế tạo 16MnSi là: F
ht
= 30800 mm

2
, diện
tích mặt cắt ngang của mái trên sau khi hợp lý là: F
hl
= 24504 mm
2
.
Sau khi hợp lý diện tích mặt cắt ngang của mái đã được giảm là:
%44.20%100
30800
3080024504
%100
F
FF
F
ht
httu






P
tk
N
[]MPa


umax

MPa
b0
mm

h0 mm
Fmin
mm2
1200000

340 339.9879

10 102.2 22848.00

1400000

340 339.9592

10 124.0996

23723.98

1600000

340 339.9327

10 143.6005

24504.02

Hình 4.1. Sự phụ thuộc kích thước
h
0min
vào tải trọng làm việc vào vật
liệu chế tạo mái trên
20
Hình 4.7.a. Phân bố trường ứng suất trong mái
ứng với tải trọng 120 Tấn
Hình 4.7.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái
tương ứng trường hợp tải trọng 120 Tấn

Hình 4.8.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái
tương ứng trường hợp tải trọng 140 Tấn
Hình 4.8.a. Phân bố trường ứng suất trong
mái ứng với tải trọng 140 Tấn

Hình 4.8.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái
tương ứng trường hợp tải trọng 140 Tấn
Hình 4.8.a. Phân bố trường ứng suất trong
mái ứng với tải trọng 140 Tấn

4.1.3. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho cột chống
4.1.3.1. Thuật toán để xác định các kích thước hợp lý cho cột chống
Cột chống được chế tạo bằng xylanh thủy lực. Trong nghiên cứu này việc
tính toán thông số hợp lý cho cột chống được thực hiện bằng việc kết hợp
2 điều kiện: bền và ổn định của cột chống.
+ Điều kiện bền được xác định như sau:
1
tk

min,pt
][
P
r



+ Để xylanh làm việc an toàn thì cần phải có điều kiện là:
 
 
2
4
4
2
2
1
2
2
2
1
t
22
teq
r
31
rr
r
p 







120 Tấn
140 Tấn
160 Tấn
21
+ Điều kiện ổn định của cột chống: Tải trọng tới hạn của cột chống được
xác định chính là nghiệm của phương trình lượng giác sau đây
[21]:








0LKsinLKcosKLKsinLKcosK
1122222111


+ Điều kiện ổn định là P
tk
< Q
th
(Q
th
là tải trọng tới hạn mà không làm cho

cột mất ổn định)
+ Tiến hành tính toán thiết kế mái sao cho nhẹ nhất mà vẫn đảm bảo điều
kiện bền, chính vì vậy cần có:


minLrLrLrV
2
2
22
2
11
2
PT

   
 
 
uutoi
21pt
2
2
22
2
11
2
PT
thtk
2
2
2

2
1
min
1
tk
min,pt
r,r,r
minLrLrLrV
QP
3
p
2
p
1
r2
s
][
P
r









































(4.12)

Để thỏa mãn được điều kiện (4.12), thực hiện thuật toán “vét cạn” trên
ngôn ngữ lập trình C. Trong đó: Tải trọng thiết kế P
tk
thay đổi từ 25 Tấn
đến 40 Tấn; Ứng suất cho phép của vật liệu[] thay đổi từ 600 MPa đến
750 Mpa; Bán kính piston thay đổi từ 30 mm đến 40 mm; Bán kính trong
xylanh thay đổi từ 55 mm đến 65 mm; Phương pháp tính toán hợp lý được
thể hiện bởi sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị kích thước hợp lý
cho cột chống dưới đây:

4.1.3.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý
Căn cứ vào bảng 4.2. thấy rằng:
- Kích thước hợp lý cho r
1
, r
pt
là: r
1
= 65 mm, r
pt
= 30 mm
- Kích thước r
2
được xác định thông qua r
1
và áp suất trong của
xylanh theo công thức: r
2
= r
1

+
min
S
; (
min
S
được xác định theo công thức
4.12)
- Từ những kết quả thu được, tiến hành vẽ đồ thị 3D biểu diễn sự phụ
thuộc kích thước r
2
vào tải trọng làm việc và vật liệu chế tạo cột chống
(hình 4.7), thông qua đó có thể xác định được giá trị kích thước hợp lý
nhất cho cột chống.
22


Hình 4.7. Sự phụ thuộc kích thước r
2
vào tải trọng làm việc vàvật liệu chế
tạo cột chống
4.2. Lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống trong điều
kiện làm việc góc dốc lên tới 25
0

- Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 0
o
cho tới 25
o
tải trọng tác dụng lên

mái trên được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn, được làm từ vật liệu
16MnSi có 
c
= 345 Mpa; 
b
= 510 Mpa; 
u
= 490 MPa kích thước hợp lý
được cho bởi bảng 4.3 dưới đây:
Bảng 4.3. Kích thước hợp lý cho mái trên
Q

Tấn
[]
MPa

umax

MPa
b
0

mm
h
0

mm
F
min
mm

2

145 340 339.83

10.0 129.2 23927.98

150 340 339.88

10.0 134.1 24123.99

155 340 339.90

10.0 138.9 24316.01

160 340 339.93

10.0 143.6 24504.02


- Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 0
o
cho tới 25
o
tải trọng tác dụng lên
cột chống được xác định là từ 36 Tấn cho tới 40 Tấn. Kích thước cột
chống được cho bởi bảng 4.4 dưới đây:
Bảng 4.4. Kích thước hợp lý cho cột chống
P
tk
Tấn

[]
MPa

Q
th
Tấn
r
1

mm

r
2
mm
r
pt
mm

Vmin
mm
3

36 600 44.17302

65 68.01565

30 4257535

37 600 44.27302

65 68.10188

30 4287018

38 600 44.27302

65 68.18826

30 4316591

39 600 44.37302

65 68.27478

30 4346252

40 600 44.47302

65 68.36146

30 4376002

23
Trên cơ sở các công thức tổng quát để nghiệm bền cột chống và mái trên
thiết lập ở chương 3, trong chương 4 này đã đạt được những kết quả sau
đây:
+ Tính toán được các kích thước hợp lý dành cho mái trên và chống dựa
trên các điều kiện: tải trọng ban đầu và vật liệu chế tạo (được thể hiện trên
đồ thị 4.1, 4.7)

+ Nghiệm bền lại chi tiết mái trong các trường hợp tải trọng 120 Tấn, 140
Tấn và 160 Tấn bằng phần mềm ABAQUS
+ Lựa chọn được dải kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống trong
điều kiện làm việc góc dốc đến 25
o
(Bảng 4.3, 4.4).
KẾT LUẬN CHUNG
Luận án đã đưa ra được kết quả như sau:
1. Đã xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập
được mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá
với lực tác dụng (công thức 4.6).
2. Từ lý thuyết cơ sở đã xây dựng được các quan hệ để tính toán độ dày
thành xylanh cột chống phụ thuộc vào áp suất trong xylanh và giới hạn bền
của vật liệu, giá trị áp suất lớn nhất mà xylanh có thể làm việc với giới hạn
bền của vật liệu cho trước. Việc tính toán độ ổn định của xylanh cột chống
với mô hình thanh chịu nén đúng tâm có tiết diện hai bậc phản ánh đúng
điều kiện làm việc của cột chống (công thức 4.12).
3. Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động đang
sử dụng trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu
thống kê và kết quả thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong
nước tại Công ty than Nam Mẫu, khẳng định sự cần thiết lựa chọn thông
số giá khung dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật mỏ than vùng Quảng