Nghiên cứu và xác định các tham số hợp lý của hệ thống khai thác lò dọc vỉa phân tầng sử dụng dàn chống tự hành trong điều kiện vỉa dày dốc vùng quảng ninh

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

NHỮ VIỆT TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ
HỢP LÝ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ DỌC
VỈA PHÂN TẦNG SỬ DỤNG DÀN CHỐNG TỰ
HÀNH TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA DÀY DỐC
VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2017


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

NHỮ VIỆT TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ
HỢP LÝ CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ DỌC
VỈA PHÂN TẦNG SỬ DỤNG DÀN CHỐNG TỰ
HÀNH TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA DÀY DỐC
VÙNG QUẢNG NINH
Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 62.52.06.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Đỗ Mạnh Phong
2. TS Nguyễn Anh Tuấn

Hà Nội - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu trình bày trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả Luận án

Nhữ Việt Tuấn

năm 2017


ii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

........................................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HTKT LÒ DVPT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KIỆN
CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 5
1.1. Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc
trên thế giới ................................................................................................................5
1.1.1. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa
than dày, dốc trên thế giới.......................................................................................5
1.1.2. Đánh giá kết quả áp dụng HTKT lò DVPT ................................................18
1.1.3. Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện
các vỉa than dày, dốc trên thế giới ........................................................................19
1.1.4. Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc
trên thế giới ...........................................................................................................20
1.2. Tổng quan kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than
dày, dốc vùng Quảng Ninh ......................................................................................20
1.2.1. Khái quát chung về bể than Quảng Ninh ....................................................20
1.2.2. Đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất các vỉa than dày, dốc vùng Quảng
Ninh ......................................................................................................................23
1.2.3. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa
than dày, dốc vùng Quảng Ninh ...........................................................................31
1.2.4. Đánh giá kết quả áp dụng HTKT lò DVPT ................................................35
1.2.5. Tổng hợp các kết quả nghiên cứu áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện
các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh ...............................................................35
1.2.6. Hướng hoàn thiện HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa than dày, dốc
vùng Quảng Ninh ..................................................................................................37
1.3. Kết luận Chương 1 ...........................................................................................37
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THU HỒI THAN NÓC TRONG HTKT
LÒ DVPT SỬ DỤNG DÀN CHỐNG ......................................................39

iii

2.1. Quy luật dịch chuyển của than – đá trong quá trình thu hồi than nóc..............39
2.2. Nghiên cứu quá trình thu hồi than nóc trên mô hình vật liệu tương đương .....43
2.2.1. Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố địa
chất – kỹ thuật mỏ .................................................................................................43
2.2.2. Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc dưới sự ảnh hưởng của kết cấu dàn
chống và quy trình thu hồi than nóc .....................................................................55
2.3. Nghiên cứu quá trình hạ trần, thu hồi than nóc của HTKT lò DVPT sử dụng
dàn chống KDT-2 tại mỏ than Hà Ráng bằng mô hình số ......................................57
2.3.1. Lựa chọn các tham số và xây dựng mô hình mô phỏng .............................57
2.3.2. Khai thác mô hình mô phỏng......................................................................59
2.3.3. Phân tích, đánh giá các kết quả khai thác trên mô hình số .........................60
2.4. Kết luận Chương 2 ...........................................................................................65
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HTKT
LÒ DVPT SỬ DỤNG DCTH TRONG ĐIỀU KIỆN CÁC VỈA THAN
DÀY, DỐC VÙNG QUẢNG NINH ........................................................66
3.1. Nghiên cứu, đề xuất công nghệ CGH áp dụng cho HTKT lò DVPT trong điều
kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh ..........................................................66
3.2. Nghiên cứu xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH
áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh .............................74
3.2.1. Nghiên cứu xác định chiều cao PTKT hợp lý ............................................74
3.2.2. Nghiên cứu xác định chiều dài theo phương KKT hợp lý ..........................77
3.3. Kết luận Chương 3 ...........................................................................................85
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ÁP DỤNG CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HTKT LÒ
DVPT SỬ DỤNG DCTH TRONG ĐIỀU KIỆN CỤ THỂ ....................87
4.1. Khái quát chung về điều kiện địa chất khu vực được lựa chọn thiết kế áp dụng
.................................................................................................................................87
4.2. Lựa chọn các thông số của HTKT và CNKT ...................................................89
4.3. Tính toán hộ chiếu chống giữ gương khai thác ................................................90

iv

4.3.1. Tính toán áp lực mỏ tác động lên dàn chống ..............................................90
4.3.2. Kiểm tra khả năng kháng lún của cột chống vào nền lò .............................92
4.4. Tính toán xây dựng hộ chiếu KNM và tổ chức sản xuất lò chợ .......................92
4.4.1. Tính toán hộ chiếu KNM ............................................................................92
4.4.2. Tổ chức sản xuất lò chợ ..............................................................................94
4.5. Tính toán các chỉ tiêu KTKT của công nghệ ...................................................96
4.5.1. Sản lượng than khai thác 1 dải khấu ...........................................................96
4.5.2. Sản lượng than khai thác 1 chu kỳ ..............................................................96
4.5.3. Sản lượng than khai thác một ngày đêm.....................................................96
4.5.4. Sản lượng than khai thác một tháng ...........................................................97
4.5.5. Công suất lò chợ .........................................................................................97
4.5.6. NSLĐ trực tiếp............................................................................................97
4.5.7. Chi phí gỗ cho 1000 tấn than ......................................................................97
4.5.8. Chi phí thuốc nổ cho 1000 tấn than ............................................................97
4.5.9. Chi phí kíp nổ cho 1000 tấn than ................................................................97
4.5.10. Chi phí dầu nhũ hóa cho 1000 tấn than ....................................................97
4.5.11. Chi phí nước sạch cho 1000 tấn than ........................................................98
4.5.12. Chi phí mét lò chuẩn bị cho 1000 tấn than ...............................................98
4.5.13. Tổn thất than .............................................................................................99
4.6. Tính toán giá thành phân xưởng của công nghệ ............................................101
4.7. Đánh giá các chỉ tiêu KTKT của công nghệ được chọn ................................104
4.8. Kết luận Chương 4 .........................................................................................106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................................107
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ..........................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................111
PHỤ LỤC

....................................................................................................................116


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HTKT

Hệ thống khai thác

DVPT

Dọc vỉa phân tầng

CNKT

Công nghệ khai thác

CGH

Cơ giới hóa

KNM

Khoan nổ mìn

DCTH

Dàn chống tự hành

PTKT

Phân tầng khai thác

KKT

Khu khai thác

NSLĐ

Năng suất lao động

SLKT

Sản lượng khai thác

KTKT

Kinh tế kỹ thuật

LV

Lộ vỉa

km

Ki lô mét

NCS

Nghiên cứu sinh

m

mét

VNHIMI

Viện nghiên cứu Khoa học Trắc địa trong ngành Mỏ của
Liên Xô (cũ)


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Kết quả áp dụng HTKT lò DVPT trên thế giới ................................................. 5
Bảng 1.2: Tổng hợp SLKT tại bể than Quảng Ninh giai đoạn 2003 ÷ 2013 ..................21
Bảng 1.3: Phân loại nham thạch trong địa tầng chứa than Quảng Ninh .........................26
Bảng 1.4: Các chỉ tiêu chất lượng than của bể than Quảng Ninh....................................28
Bảng 1.5: Tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày, dốc thuộc bể than Quảng Ninh ..........29
Bảng 2.1: Các đại lượng kích thước trên mô hình ...........................................................45
Bảng 2.2: Tổng hợp các hệ số đồng dạng của mô hình vật liệu tương đương ...............47
Bảng 2.3: Tổng hợp tính chất cơ lý của các lớp đá được định nghĩa trong mô hình .....58
Bảng 3.1: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của trạm bơm dung dịch CHΛ90/32 ..................68
Bảng 3.2: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của DCTH KPV1 ................................................69
Bảng 3.3: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của băng tải co giãn DSJ 65/10/40.....................70
Bảng 3.4: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của cầu chuyển tải SZB 730/40..........................70
Bảng 3.5: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của máy khoan thủy lực VPS-01 .......................71
Bảng 3.6: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của máy combain đào lò AM-50Z .....................73

Bảng 3.7: Tổng hợp kết quả tính toán chiều dài theo phương KKT theo điều kiện địa
chất, kỹ thuật mỏ đặc trưng vùng Quảng Ninh .........................................81
Bảng 4.1: Tổng hợp các chỉ tiêu KTKT của công nghệ ................................................100
Bảng 4.2: Giá thành phân xưởng khai thác áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng dàn
chống KPV1 (theo thiết kế)......................................................................102
Bảng 4.3: Giá thành phân xưởng khai thác áp dụng HTKT chia lớp ngang nghiêng sử
dụng giá thủy lực di động (áp dụng thực tế tại mỏ) ................................103
Bảng 4.4: Tổng hợp, so sánh các chỉ tiêu KTKT thực tế áp dụng và theo thiết kế ......104


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn .................................. 6
Hình 1.2: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan dài ..................................... 7
Hình 1.3: Sơ đồ HTKT lò DVPT kết hợp với máy khoan đường kính lớn ...................... 7
Hình 1.4: Tổ hợp CGH khai thác PKK ............................................................................... 8
Hình 1.5: Tổ hợp CGH khai thác KPO ............................................................................... 9
Hình 1.6: Tổ hợp CGH khai thác APV ............................................................................... 9
Hình 1.7: Sơ đồ khu vực áp dụng tổ hợp APV tại vỉa Dày mỏ “Trung Tâm” ...............11
Hình 1.8: Tổ hợp CGH khai thác KPV .............................................................................12
Hình 1.9: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp BMV-10 .......................................................13
Hình 1.10: Tổ hợp dàn chống BMV-10 ............................................................................13
Hình 1.11: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp dàn chống KPV1 .......................................14
Hình 1.12: Tổ hợp dàn chống KPV1 ................................................................................15
Hình 1.13: Sơ đồ làm yếu trần than tại các PTKT ...........................................................17
Hình 1.14: Máy rung ..........................................................................................................17
Hình 1.15: Phương pháp làm yếu bằng sóng phân cực tại mỏ “Kiselevskaya” .............18
Hình 1.16: Biểu đồ quy hoạch sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh .........22
Hình 1.17: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố chiều dày vỉa ............29

Hình 1.18: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố góc dốc vỉa ...............30
Hình 1.19: Biểu đồ quan hệ giữa trữ lượng than với yếu tố chiều dày, góc dốc vỉa ......30
Hình 1.20: Biểu đồ quan hệ giữa tổng trữ lượng than với yếu tố chiều dài theo phương
KKT .............................................................................................................31
Hình 1.21: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn ..............................32
Hình 1.22: Tổ hợp dàn chống KDT-2 tại mặt bằng cửa lò ..............................................33
Hình 1.23: Dàn tự hành KDT-1 .........................................................................................34
Hình 2.1: Sơ đồ dịch chuyển của than, đá trong quá trình tháo than ..............................40
Hình 2.2: Dịch chuyển của than - đá phá hỏa trong quá trình tháo than có áp dụng thiết
bị pít tông đẩy ngang ..................................................................................41
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý dịch chuyển của than phía sau dàn chống CGH ..................42
Hình 2.4: Hình dạng và kết cấu tổng thể của mô hình thiết kế........................................44
Hình 2.5: Mô hình nghiên cứu sau khi gia công, chế tạo ................................................45
Hình 2.6: Quá trình khai thác một số mô hình đặc trưng.................................................49


viii

Hình 2.7: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ tổn thất than và chiều cao phân tầng....................50
Hình 2.8: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ tổn thất than và góc dốc vỉa than .........................51
Hình 2.9: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ tổn thất than và bước hạ trần than ........................52
Hình 2.10: Tổn thất than theo chiều cao phân tầng trên mô hình ...................................53
Hình 2.11: Tổn thất than do góc dốc vỉa trên mô hình ....................................................54
Hình 2.12: Quá trình khai thác mô hình vật liệu tương đương........................................56
Hình 2.13: Mô hình số mô phỏng HTKT lò DVPT tại mỏ than Hà Ráng .....................59
Hình 2.14: Trạng thái ứng suất tự nhiên của mô hình trước khi tiến hành khai thác .....60
Hình 2.15: Trạng thái ứng suất xung quanh lò DVPT .....................................................61
Hình 2.16: Quy luật thay đổi giá trị của ứng suất tại khu vực gần biên lò DVPT .........61
Hình 2.17: Chiều cao trần than tự sập đổ trên nóc lò DVPT ...........................................62
Hình 2.18: Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc tại phân tầng thứ nhất ............................63

Hình 2.19: Quá trình hạ trần, thu hồi than nóc tại phân tầng thứ hai ..............................64
Hình 2.20: Quá trình sập đổ của đá vách vỉa 14 Núi Khánh, mỏ Hà Ráng ....................65
Hình 3.1: Sơ đồ HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH khai thác ...........................67
Hình 3.2: Trạm bơm dung dịch CHΛ90/32 ......................................................................69
Hình 3.3: Băng tải co giãn DSJ 65/10/40..........................................................................70
Hình 3.4: Cầu chuyển tải SZB 730/40 ..............................................................................71
Hình 3.5: Máy khoan thủy lực VPS-01.............................................................................72
Hình 3.6: Máy combain đào lò AM-50Z ..........................................................................73
Hình 3.7: Biểu đồ mối quan hệ giữa Lb và Qo ..................................................................83
Hình 3.8: Biểu đồ mối quan hệ giữa Lb và h ....................................................................84
Hình 4.1: Sơ đồ khu vực được lựa chọn thiết kế, áp dụng...............................................88
Hình 4.2: Sơ đồ CNKT cho khu vực thiết kế áp dụng .....................................................90
Hình 4.3: Sơ đồ bố trí lỗ mìn hạ trần than nóc .................................................................94
Hình 4.4: Biểu đồ tổ chức chu kỳ khai thác......................................................................95
Hình 4.5: Biểu đồ bố trí nhân lực khai thác ......................................................................95
Hình 4.6: Biểu đồ so sánh các chỉ tiêu KTKTcủa lò chợ thiết kế và lò chợ thực tế ....105


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong 10 năm qua, sản lượng than khai thác tại bể than Quảng Ninh có sự tăng
trưởng vượt bậc, từ khoảng 18 triệu tấn năm 2003 lên tới hơn 46 triệu tấn năm
2013, tăng gấp hơn 2,5 lần và tỷ trọng than khai thác hầm lò đã tăng từ 34 % lên
đến hơn 50 %. Theo kế hoạch, trong thời gian tới, sản lượng than khai thác tại bể
than Quảng Ninh sẽ tiếp tục tăng và tỷ trọng than khai thác hầm lò sẽ tăng từ 58 %
năm 2014 lên tới 88 % vào năm 2030 [1].
Hiện nay, tại bể than Quảng Ninh, sản lượng than khai thác từ các vỉa dày, dốc
chiếm khoảng 10 ÷ 12 % tổng sản lượng than khai thác hầm lò. Việc khai thác các

vỉa than dày, dốc chủ yếu áp dụng HTKT lò DVPT và HTKT chia lớp ngang
nghiêng, khấu bằng KNM, chống giữ bằng vì chống thủy lực. Mặc dù các chỉ tiêu
KTKT, mức độ an toàn lao động của các HTKT này đã được cải thiện so với HTKT
buồng, song, SLKT, NSLĐ chưa cao, tổn thất tài nguyên còn lớn [4], [6].
HTKT lò DVPT sử dụng DCTH đã được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới
với các giải pháp kỹ thuật và thiết bị đa dạng, cho phép nâng cao chiều cao PTKT
và chiều dài theo phương KKT, góp phần tăng NSLĐ, SLKT và mức độ an toàn lao
động. Hiện nay, trong điều kiện vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh, các kết quả
nghiên cứu về công nghệ CGH còn rất hạn chế, số các công trình được đưa vào áp
dụng còn rất ít, chưa thành công. Do vậy, việc nghiên cứu, xác định các tham số
hợp lý cùng các giải pháp kỹ thuật, thiết bị đi cùng phù hợp cho HTKT lò DVPT sử
dụng DCTH nhằm nâng cao hiệu quả khai thác, an toàn sản xuất là công việc rất
cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH áp dụng cho
điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh nhằm nâng cao mức độ an toàn
lao động và hiệu quả khai thác.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là các tham số của HTKT lò DVPT (chiều cao phân


2

tầng và chiều dài theo phương KKT) sử dụng DCTH.
- Phạm vi nghiên cứu là các vỉa than có chiều dày lớn hơn 3,5 m, dốc hơn 450
thuộc các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày, dốc
trên thế giới và trong nước.
- Nghiên cứu quá trình thu hồi than nóc trong HTKT lò DVPT sử dụng

DCTH.
- Nghiên cứu, xác định các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng
DCTH trong điều kiện các vỉa than dày, dốc vùng Quảng Ninh.
- Áp dụng các tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng DCTH trong điều
kiện cụ thể.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp mô hình vật lý bằng vật liệu tương đương để nghiên cứu quá
trình chuyển dịch của than nóc và đá phá hỏa khi tháo than hạ trần.
- Phương pháp mô hình số nghiên cứu phá hủy, dịch chuyển của than và đá
vách trong quá trình khai thác.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về các vấn đề như: áp lực mỏ, sập đổ,
dịch chuyển của trần than, đá vách, ảnh hưởng của kết cấu dàn chống đối với quá
trình thu hồi than nóc khi khai thác các vỉa than dày, dốc.
- Phương pháp nghiên cứu tại thực tế hiện trường để đo đạc, thu thập các số
liệu địa chất, kỹ thuật và quan sát quá trình khai thác tại mỏ Hà Ráng.
- Phương pháp thống kê, tổng hợp, phân tích, so sánh số liệu để đánh giá đặc
điểm điều kiện địa chất, kỹ thuật mỏ và kết quả áp dụng HTKT lò DVPT trên thế
giới và Việt Nam.
Khi áp dụng các phương pháp trên, đã sử dụng các phần mềm máy tính để hỗ
trợ trong quá trình nghiên cứu như: DATAFIT, PHACE2, EXEL.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Luận án góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu, xác định các


3

tham số hợp lý của HTKT lò DVPT sử dụng dàn chống trong điều kiện vỉa dày, dốc
vùng Quảng Ninh.
Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể góp phần xây dựng hướng phát triển
công nghệ CGH khai thác các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh, giải quyết những khó

khăn trong việc nâng cao hiệu quả, an toàn sản xuất than hầm lò hiện nay.
7. Các luận điểm bảo vệ
- Tổn thất than trong quá trình khai thác áp dụng HTKT lò DVPT chủ yếu do
không thể thu hồi được các khối than có hình tam giác (lăng trụ tam giác hoặc nêm
than) nằm dưới nền lò, được hình thành một cách có hệ thống, theo chu kỳ hạ trần,
thu hồi và lượng than nằm phía trụ vỉa, ổn định dưới góc dốc khoảng 730 ÷ 780.
- Trong HTKT lò DVPT, khi thu hồi than hạ trần, than luôn dịch chuyển
xuống trước, đá vách sập đổ sau, theo trật tự nhất định, không hỗn loạn và đá vách
của phân tầng thứ hai trở đi luôn dễ sập đổ hơn phân tầng đầu tiên.
- Trong HTKT lò DVPT, chiều cao PTKT tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa, tỷ lệ tổn
thất than cho phép, tỷ lệ nghịch với bước hạ trần và có thể được nâng cao khi sử
dụng DCTH có cửa sổ thu hồi than trên xà phá hoả với bộ phận cấp liệu phía dưới
và thu hồi than đồng thời trên các cửa sổ tháo, khe hở giữa các DCTH. Trong điều
kiện các vỉa dày, dốc đặc trưng vùng Quảng Ninh (vỉa dày 7 m, dốc 650), khi sử
dụng DCTH, chiều cao PTKT hợp lý được xác định khoảng từ 13,2 ÷ 23,5 m.
- Trong HTKT lò DVPT, chiều dài theo phương KKT tỷ lệ thuận với SLKT,
tỷ lệ nghịch với chiều cao PTKT và phụ thuộc vào kết cấu chống lò DVPT, độ cứng
của than, sự nhịp nhàng giữa công tác đào lò – khai thác. Trong điều kiện địa chất,
kỹ thuật các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh, chiều dài theo phương KKT hợp lý khi
sử dụng DCTH được xác định khoảng từ 130 ÷ 150 m.
8. Các điểm mới của luận án
- Xác định, làm rõ được sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất, kỹ thuât mỏ đối
với tỷ lệ tổn thất than thu hồi khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều
kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh.
- Xác định được quy luật xuất hiện ứng suất, dịch chuyển, sập đổ của trần


4

than, đá vách khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH cho điều kiện các vỉa

dày, dốc vùng Quảng Ninh.
- Thiết lập được hàm số thể hiện mối quan hệ giữa các tham số của HTKT với
các yếu tố địa chất - kỹ thuật - kinh tế và xác định được phạm vi chiều cao PTKT,
chiều dài theo phương KKT hợp lý cho điều kiện các mỏ than hầm lò vùng Quảng
Ninh khi áp dụng HTKT lò DVPT sử dụng DCTH.
- Đề xuất được các giải pháp kỹ thuật, đồng bộ thiết bị CGH, kết cấu dàn
chống, quy trình thu hồi than nóc phù hợp khi áp dụng HTKT lò DVPT cho điều
kiện các vỉa dày, dốc vùng Quảng Ninh.
9. Các công trình đã công bố
Tác giả Luận án đã công bố 03 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, 04 báo
cáo tại các hội nghị khoa học, 05 công trình nghiên cứu tại các hội đồng khoa học.
10. Khối lượng và kết cấu của luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong 115 trang đánh máy khổ A4
210x217 mm với 19 bảng biểu, 57 hình vẽ và biểu đồ.
Luận án được kết cấu gồm: phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận–kiến nghị.
Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS Đỗ Mạnh Phong, Bộ môn Khai thác Hầm lò và TS
Nguyễn Anh Tuấn, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam.
11. Lời cảm ơn
Tác giả Luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong Ban giám
hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Mỏ, Bộ môn Khai thác Hầm lò, Trường Đại
học Mỏ - Địa chất, đặc biệt là PGS.TS Đỗ Mạnh Phong và TS Nguyễn Anh Tuấn,
những người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tác giả Luận án cũng đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu, sự ủng
hộ, giúp đỡ và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các nhà khoa học, các bạn đồng
nghiệp, lãnh đạo các đơn vị từ phòng Nghiên cứu CNKT Hầm lò - Viện Khoa học
Công nghệ Mỏ; Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam và các mỏ than hầm lò
như: Nam Mẫu, Mạo Khê, Hà Ráng, Vàng Danh, Quang Hanh, Khe Chàm.

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HTKT LÒ DVPT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU
KIỆN CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC
1.1. Tổng quan về HTKT lò DVPT áp dụng cho điều kiện các vỉa than dày,
dốc trên thế giới
1.1.1. Tổng hợp kinh nghiệm áp dụng HTKT lò DVPT trong điều kiện các vỉa
than dày, dốc trên thế giới
1.1.1.1. Các HTKT lò DVPT
Các HTKT lò DVPT được áp dụng trên thế giới tương đối phong phú, sử dụng
CNKT thủ công và công nghệ CGH, thích ứng với các điều kiện địa chất, kỹ thuật
mỏ. Các HTKT áp dụng CNKT thủ công bao gồm:
* HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn: đã được áp dụng ở nhiều
nước trên thế giới như: Pháp, Liên Xô (cũ), Ba Lan, Trung Quốc... cho điều kiện vỉa
dày, dốc, đá vách sập đổ trung bình, đá trụ ổn định trung bình. Trong HTKT này
(Hình 1.1), tầng được chia thành các phân tầng với chiều cao từ 6 ÷ 8 m, có trường
hợp lên tới hơn 10 m. Việc khấu than tại các phân tầng được thực hiện bằng KNM.
Kết quả áp dụng HTKT lò DVPT tại một số mỏ xem tại Bảng 1.1 [24].
Bảng 1.1: Kết quả áp dụng HTKT lò DVPT trên thế giới
Giá trị
TT

Các chỉ tiêu

Đơn vị

Mỏ Saint

Treliabin,

Kailuan,

mary, Pháp

Nga

Trung Quốc

1

Chiều dày vỉa

m

7

4,7 ÷ 5

3÷4

2

Góc dốc vỉa

độ

80 ÷ 90

45 ÷ 70

50 ÷ 80

3

Chiều cao tầng

m

7 ÷ 10

6

8÷9

4

SLKT

tấn/ca

-

80 ÷ 100

120

5

NSLĐ

tấn/công

4

5,5 ÷ 6

4,7

6

Chi phí gỗ

m3/1000 tấn

10

20,8

12,5

7

Tổn thất than

%

-

47

28


6

Hình 1.1: Sơ đồ HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan ngắn
Nhìn chung, HTKT này có ưu điểm như: SLKT và NSLĐ cao, gấp từ 1,5 ÷ 2,5
lần so với HTKT chia lớp nghiêng [24], chi phí gỗ thấp. Nhược điểm của HTKT
này là chi phí mét lò chuẩn bị lớn, tổn thất than cao.
* HTKT lò DVPT nổ mìn trong các lỗ khoan dài: được áp dụng tại bể than
Pennsylvania Hoa Kỳ cho điều kiện vỉa dày 4,5 ÷ 15 m; dốc > 410; đá vách và đá
trụ bền vững, ổn định từ trung bình trở lên [21]. Trong HTKT này, chiều cao PTKT
khoảng 35 m. Từ lò DVPT, khoan các lỗ khoan dài theo các dải hình rẻ quạt,
khoảng cách từ 1,5 ÷ 3 m/dải; sau đó nạp, nổ mìn khai thác (Hình 1.2). HTKT đạt
NSLĐ 28 tấn/công, tổn thất than 35 % [24].
HTKT này có ưu điểm: mức độ an toàn và NSLĐ cao, chi phí mét lò chuẩn bị,
chi phí gỗ thấp; tuy nhiên, có nhược điểm như: tổn thất than cao, hiệu quả khai thác
phụ thuộc rất lớn vào điều kiện địa chất, nhất là mức độ ổn định của vỉa than, độ
kiên cố của than, độ bền đá vách, tính chất của đá kẹp trong vỉa, v.v.


7

Hỡnh 1.2: S HTKT lũ DVPT n mỡn trong cỏc l khoan di
* HTKT lũ DVPT kt hp vi mỏy khoan ng kớnh ln (PSO): c ỏp dng
ph bin ti Liờn Xụ (c) cho cỏc va than cú chiu dy 3,0 ữ 8,0 m, dc > 45, ỏ
vỏch bn vng trung bỡnh n bn vng. S chun b ca HTKT ny tng t
nh HTKT lũ DVPT n mỡn trong cỏc l khoan ngn; tuy nhiờn, cú b sung thờm
cỏc l khoan ng kớnh ln thỏo than v thụng giú cho gng khai thỏc (Hỡnh
1.3). Cỏc l khoan cú ng kớnh 850 mm, cỏch nhau t 6 ữ 8 m, ụi ch ln hn.

Cụng tỏc o lũ chun b cú th c thc hin bng mỏy combai o lũ.
50 m

m ặt cắt a - a

a

Lò d ọ c vỉa th ô n g g ió

Lò d ọ c v ỉa th ô n g g ió

1m

6 ữ 8m

ữ

6

m

Lò d ọ c vỉa p h â n tầ n g

3m

m

ữ
m
8

ữ

40

30

ữ

6

m

6

2m
Lỗ kh o a n th ợ n g

m

Lò d ọ c vỉa vậ n tả i

6

ữ

8

6 ữ 8m

6 ữ 8m

Thợng chia cột

L ò d ọ c vỉa p h â n tầ n g

ữ
4



M

35

Lò d ọ c vỉa v ậ n tả i

a

>

6

m

L ò d ọ c vỉa p h â n tầ n g

4ữ6m

30 ữ 40m

8

Lỗ kh o a n kh a i th á c

Lò d ọ c vỉa p h â n tầ n g

4

Lò d ọ c v ỉa p h â n tầ n g
Lỗ kh o a n k h a i th á c

v

P h ỗ n g th á o th a n

Hỡnh 1.3: S HTKT lũ DVPT kt hp vi mỏy khoan ng kớnh ln


8

Một số chỉ tiêu KTKT chính của HTKT đạt được: công suất khai thác đạt 50 ÷
60 ngàn tấn/năm, NSLĐ đạt 8 ÷ 15 tấn/công, tổn thất than 35 ÷ 45 % [24]. HTKT
này có ưu điểm là: công tác chuẩn bị, vận tải, thông gió, quy trình kỹ thuật đơn
giản, đầu tư thấp và có nhược điểm là: chi phí mét lò chuẩn bị, tổn thất tài nguyên
cao, vỉa phải ổn định về góc dốc, không có đá kép cứng trong vỉa.
Trong điều kiện thuận lợi, các nước đã áp dụng công nghệ CGH. Khi áp dụng
công nghệ CGH, HTKT lò DVPT được chuẩn bị như khi áp dụng CNKT thủ công;
tuy nhiên, các thông số của HTKT được tăng lên nhờ khả năng chống giữ của dàn
chống, tốc độ khai thác, SLKT cao. Các HTKT lò DVPT áp dụng công nghệ CGH

trên thế giới bao gồm:
* Tại khu vực Prokopevsko-Kiselevsk, LB Nga: từ những năm 1970, đã áp
dụng ba tổ hợp CGH cho các vỉa dày từ 6 ÷ 10 m, dốc từ 45o ÷ 90o [29], bao gồm:
tổ hợp PKK do Nhà máy Chế tạo máy Kiselevsk sản xuất (Hình 1.4), tổ hợp KPO
do Viện Máy mỏ Siberi Sibgormash nghiên cứu, thiết kế (Hình 1.5) và tổ hợp APV
của Viện Nghiên cứu và Thiết kế than Kuznetsk KuzNIUI (Hình 1.6).

Hình 1.4: Tổ hợp CGH khai thác PKK


9

Hình 1.5: Tổ hợp CGH khai thác KPO

Hình 1.6: Tổ hợp CGH khai thác APV
Các tổ hợp PKK và KPO được thử nghiệm tại vỉa Cháy mức +210, mỏ
“Krasnokamensk” với chiều dày 10 m, góc dốc 60 o ÷ 63o. Đá vách trực tiếp là cát
kết có độ bền trung bình, dày 9 ÷ 10 m. Đá trụ là sét kết màu xám đen, phân lớp
mạnh, độ bền yếu. Than trong vỉa thuộc loại bán ánh kim, độ cứng 0,8 ÷ 1,2.


10

Tổ hợp PKK được thử nghiệm tại cột thứ hai của vỉa Cháy để khai thác tận
thu trụ than bảo vệ nằm giữa lò dọc vỉa chính và lò song song chân. Chiều cao theo
hướng dốc của trụ than là 9 m. Lò DVPT cách lò dọc vỉa chính khoảng 3 ÷ 4 m,
được đào với tiết diện sử dụng khoảng 2,2 m2. Giữa hai đường lò này, khoan các lỗ
khoan đường kính 500 mm. Chiều dài theo phương khu vực thử nghiệm khoảng 50
m, trong đó, khoảng 25 m đầu tiên được khai thác dưới lớp ngăn cách mềm.
Tổ hợp KPO đã được thử nghiệm tại cột thứ ba cũng thuộc vỉa Cháy. Chiều

dài theo phương của cột 100 m, chiều dài theo hướng dốc 60 m. Tầng khai thác
được chia thành ba phân tầng. Lò dọc vỉa chính đặt băng tải được đào với tiết diện
sử dụng 5,3 m2 và các lò DVPT được đào với tiết diện sử dụng 2,8 ÷ 3,7 m2. Trên
các đường lò dọc vỉa, khoan các lỗ khoan có đường kính 500 mm, cách nhau
6 m/lỗ để tải than, hỗ trợ thông gió. Phân tầng đầu tiên không được khai thác dưới
lớp ngăn cách mềm, hai phân tầng còn lại được khai thác dưới lớp ngăn cách mềm.
Tổ hợp APV được áp dụng tại vỉa Dày mức +15, mỏ “Trung Tâm”. Vỉa dày
10 ÷ 12 m, dốc 45o ÷ 60o. Than có nguy hiểm về nổ bụi than, có tính tự cháy. Độ
thoát khí tuyệt đối 1,44 m3/phút. Độ cứng của than từ 0,8 ÷ 1,5. Vách, trụ vỉa có lớp
than vò nhàu, dày 0,2 ÷ 0,4 m. Đá vách là bột kết, nứt nẻ, xen với các thấu kính
than mỏng. Điều kiện địa chất khá phức tạp với nhiều đứt gãy địa chất lớn, biên độ
đến 3 m, than - đá gần các đứt gãy bị làm yếu. Khu vực thử nghiệm có chiều dài
theo phương 180 m, theo hướng dốc 110 m (Hình 1.7). Tầng được chia thành bốn
PTKT. Việc thử nghiệm được tiến hành ở phân tầng trên cùng. Lò dọc vỉa thông
gió và vận tải có tiết diện là 3,7 m2 và 5,5 m2, được chống liền vì bằng vì gỗ.
CNKT khi áp dụng ba loại tổ hợp trên cơ bản giống nhau, gồm các bước: phá
vỡ trần than bằng KNM; hạ trần, thu hồi than và đưa ra ngoài bằng tổ hợp chuyển
tải dưới dàn chống và các máng cào; di chuyển tổ hợp DCTH. Ban đầu, ba tổ hợp
này được thử nghiệm khai thác dưới lớp ngăn cách mềm; tuy nhiên, trong quá trình
thử nghiệm, do sự phức tạp của điều kiện địa chất, nên một số phân tầng không có
lớp ngăn cách mềm. Khi đó, việc thu hồi than nóc được dừng khi xuất hiện đá phá
hỏa tại cửa tháo than. Việc tháo than được tiến hành tại cửa sổ tháo than trên xà phá


11

hỏa (tổ hợp PKK) hoặc phía sau xà phà hỏa (tổ hợp KPO) hoặc bên hông lò dọc vỉa
(tổ hợp APV). Việc di chuyển các tổ hợp trên được thực hiện cơ bản giống nhau.
Tổ hợp được di chuyển nhờ lực kéo của dàn chống neo, kéo dàn chống tiến về phía
trước với bước di chuyển khoảng 2 ÷ 3 m/chu kỳ. Khi nóc lò dọc vỉa bị phá hủy,

cần có sự hỗ trợ của các tời kéo (tổ hợp PKK) hoặc bằng cách neo vào phần dưới
của vì chống lò dọc vỉa (tổ hợp KPO) hoặc sử dụng các cột thủy lực đơn đặc biệt
(tổ hợp APV). Như vậy, ba tổ hợp trên đã được thử nghiệm tại các vỉa dày từ 6 ÷ 14
m, dốc 48o ÷ 64o, chiều cao phân tầng từ 6 ÷ 23 m với kết quả như sau: tổng SLKT
29.775 tấn, tổng chiều dài tiến gương 320 m, NSLĐ trung bình tại gương khấu đạt
40 tấn/công, cao nhất 95 tấn/công, SLKT trung bình đạt 242 ÷ 472 tấn/ngày, cao
nhất 855 tấn/ngày, tổn thất than khoảng 18 % (có lớp ngăn cách mềm).

Hình 1.7: Sơ đồ khu vực áp dụng tổ hợp APV tại vỉa Dày mỏ “Trung Tâm”


12

Năm 1975, Viện Máy mỏ Siberi Sibgormash đã chế tạo tổ hợp CGH KPV
(Hình 1.8) trên cơ sở hoàn thiện kết cấu của tổ hợp dàn chống KPO. Tổ hợp này đã
được thử nghiệm công nghiệp tại mỏ hầm lò "Bungurskaya" thuộc Liên doanh
"Juzhkuzbassugol". Giai đoạn từ 12/1975 đến 3/1976 đã tiến gương được 110 m,
SLKT 700 tấn/ngày. Sau đó, tổ hợp này được đề nghị chế tạo hàng loạt [40], [41].

1: Dàn gương 2: Dàn neo 3: Cầu chuyển tải 4: Máng cào chất tải 5: Kích thủy lực di
chuyển 6: Thiết bị neo di động 7: Hệ thống thủy lực 8: Hệ thống cửa sổ tháo than
9: Máng cào CR-70

Hình 1.8: Tổ hợp CGH khai thác KPV
Các kết quả thử nghiệm cho thấy, việc áp dụng các tổ hợp CGH trên trong
khai thác các vỉa than dày, dốc rất có triển vọng, cho phép nâng cao SLKT, NSLĐ,
an toàn lao động và giảm tổn thất than [36]. Tuy nhiên, các tổ hợp trên còn có các
nhược điểm: việc nổ mìn phá vỡ trần than trên lò DVPT không được phép trong
điều kiện nguy hiểm về khí, bụi nổ; sự hạn chế về kích thước dòng than qua cửa thu
hồi, gây tổn thất than và tăng độ tro của than. Đây là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến

việc tạm dừng thử nghiệm để tiếp tục hoàn thiện.
* Tại Ba Lan: Công ty GEOTECH đã đề xuất HTKT lò DVPT sử dụng
DCTH BMV-10 của Slovakia (Hình 1.9, Hình 1.10), áp dụng tại mỏ "Kazimierz
Juliusz” cho điều kiện vỉa dày 20 m, dốc 45o (còn gọi là HTKT podberkovoy) [22].
Các thông số của HTKT: chiều dài theo phương KKT 150 ÷ 200 m, chiều cao
PTKT 20 ÷ 40 m. Mỗi tổ hợp CGH gồm 2 dàn chống, 1 cầu chuyển tải nằm giữa
hai dàn chống, hệ thống di chuyển dàn chống và máng cào, máy khoan lỗ khoan
dài, tổ hợp bơm cung cấp dung dịch nhũ hóa và các thiết bị khác.


13

1: Lò dọc via thông gió trong đá

2: lò dọc vỉa vận tải trong đá 3: Lò xuyên vỉa trung

gian 4: Lò dọc vỉa khai thác 5: Phỗng tháo than

6: Gương khấu

Hình 1.9: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp BMV-10
Việc hạ trần than trên nóc lò dọc vỉa sử dụng phương pháp nổ mìn trong lỗ
khoan dài. Than được thu hồi tại khe hở giữa hai dàn chống. Cửa thu hồi được điều
tiết bằng các tấm chắn nóc. Than thu hồi từ cửa tháo được rót xuống cầu chuyển tải,
lên máng cào hoặc băng tải lò DVPT, sau đó được vận tải ra ngoài.

Hình 1.10: Tổ hợp dàn chống BMV-10
* Tại vùng than Kuznetsk, LB Nga: HTKT lò DVPT đã được áp dụng rộng rãi
trong khai thác các vỉa dày, dốc [35]. Công đoạn phức tạp nhất, quan trọng nhất của
HTKT này là việc tháo than an toàn và hiệu quả từ trần than đã được làm yếu phía

trên. Để nâng cao hiệu quả và an toàn trong công đoạn thu hồi than nóc, Viện Mỏ
Siberi thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã nghiên cứu, thiết kế tổ hợp dàn chống


14

CGH KPV1 cho HTKT lò DVPT để khai thác các vỉa dày, dốc tại vùng than
Kuznetsk [32]. Trong HTKT này, trần than phía trên lò dọc vỉa được làm yếu bằng
các lò DVPT trung gian đào trong than, chiều dài theo phương KKT từ 150 ÷ 200
m, chiều cao phân tầng từ 15 ÷ 20 m (Hình 1.11).

Hình 1.11: HTKT lò DVPT sử dụng tổ hợp dàn chống KPV1
Tổ hợp dàn chống KPV1 (Hình 1.12) bao gồm: 02 dàn chống, mỗi dàn chống
gồm xà (1), cột chống thủy lực (2), xà nóc (3), cửa sổ thu hồi than nóc (4), bộ phận
tiếp liệu kiểu pít tông để tải than thu hồi từ cửa sổ tháo than xuống cầu chuyển tải
(5), tấm chắn dạng bản lề (6), máy chuyển tải ПСП-26 đặt giữa hai dàn chống và có
khung được liên kết với 2 dàn chống (7). Việc di chuyển tổ hợp KPV1 và máy
chuyển tải ПСП-26 theo tiến độ được thực hiện với sự trợ giúp của các kích thủy
lực có liên kết với các cột chống phía trước gương.


15

Hình 1.12: Tổ hợp dàn chống KPV1