Nghiên cứu lựa chọn CNKT và tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dầy trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực uông bí quảng ninh

1

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

ĐÀO TRỌNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ
KHAI THÁC VÀ TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ
CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC CHO CÁC VỈA DẦY
TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG TẠI CÁC MỎ THAN
HẦM LÒ KHU VỰC UÔNG BÍ - QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017


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

ĐÀO TRỌNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ
KHAI THÁC VÀ TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ
CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC CHO CÁC VỈA DẦY
TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG TẠI CÁC MỎ THAN
HẦM LÒ KHU VỰC UÔNG BÍ - QUẢNG NINH
Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 9520603

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Đỗ Mạnh Phong
2. TS. Trương Đức Dư

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 .... năm 2017
Tác giả

Đào Trọng Cường


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu Trường Đại
học Mỏ - Địa chất, Ban lãnh đạo khoa Mỏ, phòng Đại học và sau đại học, tập
thể thầy giáo bộ môn Khai thác hầm lò và nhất là PGS.TS. Đỗ Mạnh Phong
và TS. Trương Đức Dư đã giành rất nhiều công sức và tâm huyết hướng dẫn
tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo các
công ty hầm lò, các đơn vị nghiên cứu, tư vấn, Tập đoàn Công nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam và các bạn đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi

cho quá trình thực hiện luận án này.
Tác giả


iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan .............................................................................................................. i
Lời cảm ơn................................................................................................................. ii
Mục lục ..................................................................................................................... iii
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................... vii
Danh mục các bảng ................................................................................................ viii
Danh mục các hình ................................................................................................... x
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG KHAI THÁC VÀ CÔNG
NGHỆ KHAI THÁC CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG
VÀ CÔNG TÁC NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA
HỆ THỐNG KHAI THÁC ...................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về HTKT các vỉa dày trung bình, dốc đứng trên thế giới ...... 5
1.1.1.HTKT bằng giàn chống ................................................................. 5
1.1.2. HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp giàn
chống tự hành kết hợp máy bào than ...................................................... 9
1.1.3. HTKT cột dài theo phương, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp
giàn chống tự hành kết hợp máy bào hoặc combai khấu than .............. 10
1.1.4. HTKT dạng buồng sử dụng lỗ khoan dài, đường kính lớn......... 12
1.1.5. Các CNKT khấu than bằng máy cưa than .................................. 13
1.1.6. CNKT bằng sức nước ................................................................. 15
1.2. Tổng quan về các HTKT vỉa dày trung bình, dốc đứng ở trong nước ... 17
1.2.1. Các HTKT dạng buồng ............................................................... 17

1.2.2. HTKT lò dọc vỉa phân tầng ........................................................ 20
1.2.3. HTKT bằng giàn chống tại các mỏ Vàng Danh, Mạo Khê ........ 23
1.2.4. HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống
giữ bằng giàn chống mềm tại mỏ Vàng Danh ...................................... 25


iv

1.2.5. HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ chia bậc chân khay,
điều khiển vách bằng chèn lò kiểu Kakuchi tại mỏ Mạo Khê .............. 26
1.2.6. HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp
2ANSH .................................................................................................. 28
1.2.7. HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống
giữ bằng giàn mềm loại ZRY................................................................ 31
1.3. Tổng quan về công tác nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của hệ
thống khai thác vỉa dày trung bình, dốc đứng ................................................. 37
1.3.1. Tổng quan về các phương pháp tối ưu hóa trong ngành mỏ ...... 37
1.3.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của
hệ thống khai thác vỉa dày trung bình, dốc đứng .................................. 45
1.4. Kết luận chương 1 ..................................................................................... 48
Chương 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HỆ THỐNG KHAI THÁC VÀ
CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HỢP LÝ CHO CÁC VỈA THAN DÀY
TRUNG BÌNH, DỐC ĐỨNG VÙNG UÔNG BÍ - QUẢNG NINH.................. 51
2.1. Đánh giá đặc điểm địa chất - kỹ thuật mỏ và tổng hợp trữ lượng các
vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí........................................... 51
2.1.1. Đặc điểm địa tầng ....................................................................... 51
2.1.2. Đặc điểm địa chất công trình ...................................................... 52
2.1.3. Đặc điểm địa chất thủy văn......................................................... 54
2.1.4. Đặc điểm khí mỏ, cháy nội sinh ................................................. 54
2.1.5. Tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng

vùng Uông Bí ........................................................................................ 55
2.2. Nghiên cứu xây dựng điều kiện áp dụng các HTKT và CNKT cho
các vỉa dày trung bình, dốc đứng ..................................................................... 57
2.2.1. Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến việc lựa chọn CNKT hợp lý . 57
2.2.2. Xây dựng điều kiện áp dụng các loại hình CNKT vỉa dày
trung bình, dốc đứng ............................................................................. 59


v

2.3. Phân tích, đánh giá lựa chọn HTKT và CNKT phù hợp cho các vỉa
dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí ......................................................... 64
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 69
Chương 3: TỐI ƯU HOÁ CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG KHAI
THÁC LÒ CHỢ XIÊN CHÉO CHỐNG GIỮ BẰNG GIÀN MỀM ZRY
CHO CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH, DỐC ĐỨNG ............................ 71
3.1. Lựa chọn các thông số cần tối ưu hóa của HTKT vỉa dày trung bình,
dốc đứng ............................................................................................................ 71
3.1.1. Các thông số cơ bản của các HTKT vỉa dày trung bình, dốc
đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh ........................................................ 71
3.1.2. Lựa chọn CNKT cần tối ưu hóa các thông số của HTKT .......... 80
3.1.3. Lựa chọn các thông số cần tối ưu hóa củaHTKT cột dài theo
phương trong CNKT lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm
ZRY ....................................................................................................... 81
3.2. Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa các thông số của HTKT lò chợ
xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY .................................................... 84
3.2.1. Lựa chọn phương pháp tối ưu hóa .............................................. 84
3.2.2. Xây dựng mô hình toán - kinh tế tối ưu hóa các thông số của
HTKT cột dài theo phương, lò chợ xiên chéo, sử dụng giàn mềm ZRY ... 86
3.3. Tối ưu hóa các thông số của HTKT cột dài theo phương, lò chợ xiên

chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY ........................................................... 102
3.3.1. Tổng hợp một số đơn giá định mức, giá thành công đoạn sản
xuất phục vụ tính toán ......................................................................... 102
3.3.2. Tối ưu hóa chiều cao tầng khi biết trước chiều dài cột khai thác ... 104
3.3.3. Tối ưu hóa chiều dài cột khai thác khi biết trước chiều cao tầng . 107
3.3.4. Tối ưu hóa các thông số của HTKT lò chợ xiên chéo sử dụng
giàn mềm loại ZRY theo tiêu chí giá thành sản xuất nhỏ nhất ........... 110
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................... 112


vi

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHAI THÁC LÒ CHỢ XIÊN CHÉO,
CHỐNG GIỮ BẰNG GIÀN MỀM ZRY CHO ĐIỀU KIỆN VỈA 9B KHU
TRÀNG KHÊ, CÔNG TY THAN HỒNG THÁI .............................................. 114
4.1. Đặc điểm điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ vỉa 9b khu Tràng Khê, mỏ
Hồng Thái ........................................................................................................ 114
4.1.1. Tóm tắt đặc điểm địa chất khu vực ........................................... 114
4.1.2. Đặc điểm vỉa than 9b khu Tràng Khê ....................................... 116
4.1.3. Hiện trạng công tác khai thông, chuẩn bị, khai thác................. 117
4.1.4. Kích thước khai trường và tổng hợp trữ lượng khu vực ........... 118
4.2.Hệ thống khai thác áp dụng cho vỉa 9B với các thông số tối ưu ........... 119
4.2.1. Khai thông, chuẩn bị khai trường ............................................. 119
4.2.2. Phương pháp khấu than, thiết bị chống giữ lò chợ và đồng bộ 120
4.2.3. Tính toán hộ chiếu chống giữ lò chợ ........................................ 120
4.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo,
chống giữ bằng giàn mềm ZRY..................................................................... 121
4.3.1. Tính toán một số chỉ tiêu KTKT lò chợ.................................... 121
4.3.2. Tính toán giá thành phân xưởng, giá thành sản xuất trực tiếp.. 123
4.4. Kết luận chương 4 ................................................................................... 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 125
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

2ANSH

Tổ hợp cơ giới hóa khai thác 2ANSH

CGH

Cơ giới hóa

CNKT

Công nghệ khai thác

CTLĐ

Cột thủy lực đơn

DVPT

Dọc vỉa phân tầng

DVTG

Dọc vỉa thông gió

DVVT

Dọc vỉa vận tải

HTKT

Hệ thống khai thác

KTKT

Kinh tế - kỹ thuật

NSLĐ

Năng suất lao động

TLDĐ

Thủy lực di động

TKV

Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

(Viết tắt tên giao dịch tiếng Việt)

VINACOMIN

Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam
(Viết tắt tên giao dịch tiếng Anh)


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1. Các chỉ tiêu KT-KT đạt được của HTKT bằng giàn chống tại
một số mỏ thuộc Liên Xô (cũ) .......................................................... 8
Bảng 1.2. Một số chỉ tiêu KTKT đạt được của các HTKT dạng buồng ......... 20
Bảng 1.3. Một số chỉ tiêu KT-KT đạt được của HTKT lò DVPT .................. 22
Bảng 1.4. Một số chỉ tiêu KT-KT đạt được của HTKT bằng giàn chống tại
các mỏ Vàng Danh, Mạo Khê ......................................................... 24
Bảng 1.5. Một số chỉ tiêu KTKT đạt được của HTKT bằng giàn chống,
CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH tại Mạo Khê, Hồng Thái... 29
Bảng 1.6. Một số chỉ tiêu KTKT đạt được của lò chợ ZRY20/30L tại vỉa
9b khu Tràng Khê II ........................................................................ 36
Bảng 2.1.Tính chất cơ lý đá các khu vực vỉa dày trung bình, dốc đứng
vùng Uông Bí - Quảng Ninh ........................................................... 53
Bảng 2.2. Tổng hợp trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng

Uông Bí ........................................................................................... 55
Bảng 2.3. Điều kiện áp dụng các HTKT dạng buồng ..................................... 60
Bảng 2.5. Điều kiện áp dụng HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử
dụng tổ hợp 2ANSH ....................................................................... 62
Bảng 2.6. Điều kiện áp dụng HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ
xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY ............................. 64
Bảng 2.7. Phân tích, so sánh ưu nhược điểm của các HTKT cho điều kiện
vỉa dày trung bình, dốc đứng .......................................................... 65
Bảng 2.8. So sánh một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản của các HTKT
cho điều kiện vỉa dày trung bình, dốc đứng.................................... 67
Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của HTKT buồng - thượng chéo ................... 73
Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của HTKT buồng - thượng............................ 75


ix

Bảng 3.3. Các thông số cơ bản của HTKT lò dọc vỉa phân tầng .................... 76
Bảng 3.4. Các thông số cơ bản của HTKT bằng giàn chống trong CNKT
CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH ........................................... 78
Bảng 3.5. Các thông số cơ bản của HTKT cột dài theo phương trong
CNKT lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY ............. 80
Bảng 3.6. Các điều kiện tính toán bài toán tối ưu hóa .................................... 91
Bảng 3.7. Tổng hợp các điều kiện địa chất, kỹ thuật, kinh tế mỏ ................. 103
Bảng 4.1. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đá trong địa tầng khu Tràng Khê Công ty than Hồng Thái................................................................ 115
Bảng 4.2. Tổng hợp các chỉ tiêu KTKT cơ bản của lò chợ .......................... 122
Bảng 4.3. Giá thành phân xưởng khai thác lò chợ ........................................ 123


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1. HTKT bằng giàn chống..................................................................... 6
Hình 1.2.Cấu tạo một số loại giàn chống cứng ................................................. 7
Hình 1.3. HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp ANSH (АНЩ) ... 9
Hình 1.4. Sơ đồ HTKT cột dài theo phương,CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp
giàn chống KGU (КГУ) .................................................................. 11
Hình 1.5. HTKT dạng buồng sử dụng lỗ khoan dài, đường kính lớn ............. 13
Hình 1.6. CNKT khấu than bằng máy cưa trong các dải theo độ dốc ............ 14
Hình 1.7. CNKT khấu than bằng máy cưa trong các dải theo phương........... 15
Hình 1.8. CNKT bằng sức nước ..................................................................... 16
Hình 1.9. Sơ đồ HTKT buồng - thượng chéo ................................................. 18
Hình 1.10. Sơ đồ HTKT buồng - thượng ........................................................ 19
Hình 1.11. HTKT lò dọc vỉa phân tầng........................................................... 21
Hình 1.12. HTKT bằng giàn chống tại Vàng Danh, Mạo Khê ....................... 24
Hình 1.13. HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ
bằng giàn chống mềm tại mỏ Vàng Danh ...................................... 26
Hình 1.14. HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ chia bậc chân khay,
điều khiển vách bằng chèn lò kiểu Kakuchi tại mỏ Mạo Khê ........ 27
Hình 1.15. HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp 2ANSH
tại các mỏ Mạo Khê, Hồng Thái ..................................................... 28
Hình 1.16. Giàn chống mềm ZRY .................................................................. 32
Hình 1.17. Nguyên lý làm việc của giàn chống mềm ZRY ............................ 33
Hình 1.18. Khả năng thay đổi kích thước làm việc của giàn mềm ZRY ........ 34
Hình 1.19. HTKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống giữ

bằng giàn mềm ZRY20/30L tại Công ty than Hồng Thái ............. 35


xi

Hình 2.1. Phân bố trữ lượng vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông
Bí theo các mỏ ................................................................................ 56
Hình 2.2. Phân bố trữ lượng vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông
Bí theo miền chiều dày vỉa ............................................................. 56
Hình 3.1. Giải thuật của mô hình tối ưu hóa các thông số của HTKT cột
dài theo phương, lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm
ZRY ............................................................................................... 101
Hình 3.2. Giao diện phần mềm tối ưu hóa các thông số của HTKT cột dài
theo phương, lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm ZRY . 102
Hình 3.3. Đồ thị hàm số f(Ht) thể hiện mối quan hệ giữa giá thành sản xuất
với thông số chiều cao tầng Ht ...................................................... 105
Hình 3.4. Kết quả chạy phần mềm tối ưu hóa chiều cao tầng khi biết trước
chiều dài cột khai thác trong CNKT lò chợ giàn mềm ZRY ........ 106
Hình 3.5. Đồ thị hàm số f(Lp) thể hiện mối quan hệ giữa giá thành sản xuất
với thông số chiều dài cột khai thác theo phương Lp .................... 108
Hình 3.6. Kết quả chạy phần mềm tối ưu hóa chiều dài cột khai thác khi
biết trước chiều cao tầng trong CNKT lò chợ giàn mềm ZRY .... 109
Hình 3.7. Kết quả chạy phần mềm tối ưu hóa các thông số chiều dài cột
khai thác, chiều cao tầng, trong CNKT lò chợ giàn mềm ZRY ... 111


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng chiếm tỷ trọng không
nhỏ trong tổng trữ lượng bể than Đông Bắc (Quảng Ninh), khoảng 5 ÷ 8%,
trong đó tập trung ở vùng than Uông Bí với tổng trữ lượng khoảng 54,6 triệu
tấn. Hàng năm, sản lượng khai thác từ đối tượng vỉa dày trung bình, dốc đứng
chiếm khoảng 7 ÷ 8 tổng sản lượng than của Tập đoàn Công nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam (TKV) [4].
Hiện nay, để khai thác các vỉa than dày trung bình, dốc đứng, các mỏ
hầm lò chủ yếu vẫn áp dụng các CNKT thủ công như các CNKT dạng buồng;
CNKT lò dọc vỉa phân tầng. Các CNKT này có hiệu quả chưa cao, sản lượng
và NSLĐ thấp, chi phí khai thác lớn và đặc biệt là tỷ lệ tổn thất cao (30 ÷ 40%)
[15]. Những năm gần đây, một số mỏ vùng Uông Bí đã đưa vào áp dụng thử
nghiệm các CNKT tiên tiến như: CNKT CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp
2ANSH, HTKT lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY, và đã
bước đầu khẳng định tính ưu việt hơn hẳn các CNKT thủ công trong cùng điều
kiện, qua đó mở ra triển vọng mở rộng áp dụng [4]. Tuy nhiên, quá trình đưa
vào áp dụng chưa lâu, cần tiến hành theo dõi, đánh giá, nghiên cứu tối ưu hóa
các thông số của HTKT nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả áp dụng công nghệ.
Xuất phát từ từ thực tế nêu trên, cần thiết phải thực hiện “Nghiên cứu
lựa chọn CNKT và tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dầy
trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng
Ninh” nhằm nâng cao sản lượng khai thác, NSLĐ, mức độ an toàn lao động
và giảm tổn thất trong khai thác các vỉa than dày trung bình, dốc đứng.
2. Mục tiêu của đề tài
Lựa chọn được CNKT hợp lý và tối ưu hóa các thông số của HTKT các
vỉa dày trung bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng


2

Ninh, nhằm nâng cao mức độ an toàn, sản lượng và NSLĐ trong khai thác
than hầm lò.

3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là CNKT vỉa dày trung bình,
dốc đứng.Phạm vi nghiên cứu là của đề tài các vỉa than dày trung bình, dốc
đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ các vỉa than dày trung
bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí - Quảng Ninh.
- Phân tích, đánh giá, lựa chọn được CNKT phù hợp điều kiện các vỉa
than dày trung bình, dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí Quảng Ninh.
- Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của HTKT cho các vỉa dày trung
bình dốc đứng tại các mỏ than hầm lò khu vực Uông Bí.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp tổng hợp, đánh gia tài liệu;
- Phương pháp khảo sát, đánh giá điều kiện địa chất;
- Phương pháp thống kê, phân tích, so sánh;
- Phương pháp tính toán giải tích;
- Phương pháp mô hình toán - kinh tế.
6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài: Góp phần xây dựng điều kiện áp dụng
một số loại hình CNKT vỉa dày trung bình, dốc đứng; Xây dựng được phương
pháp luận, giải thuật bài toán tối ưu hóa các thông số “chiều cao tầng khai
thác”, “chiều dài theo phương cột khai thác” trong CNKT lò chợ chợ xiên
chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY.


3

6.2. Giá trị thực tiễn của đề tài: Đề xuất được các CNKT hợp lý cho
điều kiện các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng Uông Bí - Quảng Ninh;

Tối ưu hóa các thông số HTKT giúp nâng cao hiệu quả áp dụng CNKT lò chợ
chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại ZRY trong điều kiện vỉa dày
trung bình, dốc đứng tại các mỏ hầm lò vùng Uông Bí - Quảng Ninh.
7. Những điểm mới của luận án
7.1. Xây dựng được điều kiện áp dụng một số loại hình CNKT vỉa dày
trung bình, dốc đứng.
7.2. Xây dựng phương pháp tối ưu hóa các thông số của hệ thống khai
thác các vỉa dày trung bình, dốc đứng.
7.3. Thiết kế hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn
mềm ZRY cho vỉa 9b khu Tràng Khê, Công ty Than Hồng Thái với các thông
số tối ưu.
8. Luận điểm khoa học
8.1. Đối với điều kiện các vỉa than dày trung bình dốc đứng vùng Uông
Bí, trong thời điểm hiện nay, đề xuất lựa chọn CNKT hợp lý theo nguyên tắc
ưu tiên áp dụng CNKT cột dài theo phương, gương lò chợ xiên chéo, chống
giữ bằng giàn mềm loại ZRY; CNKT chia cột theo hướng dốc, CGH đồng bộ
sử dụng tổ hợp 2ANSH.
8.2. Trong CNKT lò chợ chợ xiên chéo, chống giữ bằng giàn mềm loại
ZRY:Chiều cao tầng tối ưu tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa than, chi phí đào, xén
lò và tỷ lệ nghịch với chi phí thiết bị; Chiều dài theo phương cột khai thác tối
ưu tỷ lệ thuận với góc dốc vỉa than, chi phí đào, xén lò; và tỷ lệ nghịch với
chiều dày vỉa than, chi phí thiết bị.
8.3. Trong điều kiện vỉa 9b khu Tràng Khê, Công ty than Hồng Thái,
chiều cao tầng khai thác tối ưu khoảng Ht = 75 ÷ 80 m, chiều dài theo phương
cột khai thác tối ưu khoảng Lp = 650 ÷ 700 m.


4

9. Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị, 126
trang, bao gồm 28 bảng biểu và 28 hình vẽ.
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống khai thác và công nghệ khai
thác các vỉa than dày trung bình dốc đứng và công tác
nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của hệ thống khai thác.
Chương 2: Nghiên cứu lựa chọn hệ thống khai thác và công nghệ khai
thác hợp lý cho các vỉa than dày trung bình, dốc đứng vùng
Uông Bí - Quảng Ninh.
Chương 3: Tối ưu hoá các thông số của hệ thống khai thác lò chợ xiên
chéo chống giữ bằng giàn mềm ZRY cho các vỉa than dày
trung bình, dốc đứng
Chương 4: Thiết kế hệ thống khai thác lò chợ xiên chéo, chống giữ
bằng giàn mềm ZRY cho điều kiện vỉa 9b khu Tràng Khê,
Công ty than Hồng Thái.


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG KHAI THÁC VÀ CÔNG NGHỆ
KHAI THÁC CÁC VỈA THAN DÀY TRUNG BÌNH DỐC ĐỨNG VÀ
CÔNG TÁC NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ
CỦA HỆ THỐNG KHAI THÁC
1.1. Tổng quan về HTKT các vỉa dày trung bình, dốc đứng trên thế giới
Trong lịch sử phát triển ngành than thế giới, các vỉa than dày trung
bình, dốc đứng luôn luôn là đối tượng có điều kiện khai thác khó khăn, phức
tạp nhất, do các đặc điểm về chiều dày, góc dốc đều bất lợi để cho phép áp
dụng các loại hình HTKT có mức độ cơ giới hóa cao, quy mô công suất lớn,
giá thành rẻ. Tuy nhiên, trữ lượng các vỉa than dày trung bình, dốc đứng lại
không hề ít. Có những bể than lớn trên thế giới mà trữ lượng các vỉa than

trong điều kiện này chiếm tỷ lệ chủ yếu, như bể than Donbass (Ukraina), vùng
than Quý Châu (Trung Quốc) [13]. Do đó, trên thế giới,CNKT các vỉa than
dày trung bình, dốc đứng đã được nghiên cứu phát triển và hoàn thiện rất đa
dạng về loại hình, khác nhau từ hệ thống chuẩn bị, phương pháp khấu gương,
chống giữ gương lò chợ, điều khiển áp lực mỏ, vận tải, thông gió, v.v... Tổng
quan và phân tích một số loại hình HTKT vỉa than dày trung bình, dốc đứng
phổ biến trên thế giới như sau:
1.1.1.HTKT bằng giàn chống
Nhằm khắc phục ảnh hưởng của góc dốc vỉa lớn, một trong những công
nghệ khai thác vỉa than dốc đứng đã được nghiên cứu và thử nghiệm tại Liên
Xô (cũ) từ những năm 1930, áp dụng rộng rãi tại Đông Âu và Trung Quốc từ
những năm 1960, là HTKT bằng giàn chống(tiếng Nga: Щитовая система
разработки) [27].
Theo HTKT này, tầng khai thác được chuẩn bị bằng các lò dọc vỉa
thông gió và dọc vỉa vận tải đào từ xuyên vỉa trung tâm về phía biên giới khai


6

trường. Từ biên giới khai trường, đào các thượng thông gió - vận tải chia
ruộng mỏ thành các cột khai thác theo hướng dốc. Các thông số cơ bản của
HTKT bằng giàn chống gồm:chiều rộng cột từ 20 40 m, chiều dài theo
hướng dốc từ 100  140 m, chiều rộng trụ bảo vệ giữa các thượng cột từ 1,5 ÷
3,5 m phụ thuộc chiều dày vỉa. Công tác khấu than được thực hiện bằng
khoan nổ mìn theo hướng dốc vỉa, trong không gian dưới một hệ thống chống
giữ đặc biệt - giàn chống cứng(phân mảng hoặc không phân mảng), là lớp che
chắn cấu tạo từ các súc gỗ hoặc vì chống kim loại liên kết với nhau, bên trên
trải các lớp gỗ phủ kín bề mặt để ngăn đất đá phá hỏa rơi xuống không gian
làm việc của lò chợ (xem hình 1.1).

a) Sơ đồ chuẩn bị

b) Lò chợ

Hình 1.1. HTKT bằng giàn chống
Giàn chống cứng có kết cấu khá đa dạng, đơn giản và dễ chế tạo, được
thiết kế phù hợp với từng điều kiện địa chất, đặc điểm thế nằm, góc dốc của
vỉa than khai thác (xem hình 1.2). Đối với các vỉa than mỏng đến dày trung
bình thường áp dụng giàn vòm, giàn chữ “Г”, v.v... để tăng tiết diện không
gian làm việc dưới giàn chống, kết cấu giàn thường nhẹ, gồm khung kim loại
và 1  2 lớp gỗ và lưới thép che chắn. Đối với các vỉa than có chiều dày lớn
hơn thường áp dụng loại giàn phẳng, dạng phân mảng hoặc không phân
mảng, kết cấu gồm nhiều lớp để tăng độ kiên cố [24].


7

a) Giàn phân mảng

b) Giàn không phân mảng dạng phẳng

c) Giàn chữ “Г”

d) Giàn vòm

e) Giàn vòm có đế trượt

Hình 1.2.Cấu tạo một số loại giàn chống cứng
Công nghệ khai thác sử dụng giàn chống cứng như trên có ưu điểm là
cho năng suất cao, công tác tổ chức khai thác đơn giản do không cần thực

hiện các công tác chống giữ gương và điều khiển đá vách, vận tải than từ lò
chợ xuống mức vận tải bằng tự chảy. Nhược điểm của sơ đồ công nghệ này là


8

khối lượng đào lò chuẩn bị lớn, đặc biệt là phải đào nhiều thượng tháo than
trong một cột khai thác, tỷ lệ tổn thất còn cao (25 - 30%) do phải để lại trụ
than bảo vệ giữa các cột khai thác. Điều kiện để áp dụng công nghệ khai thác
này là góc dốc vỉa và đường phương vỉa trong phạm vi một cột khấu phải ổn
định, đá vách, đá trụ từ ổn định trung bình đến ổn định. Các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật đạt được khi áp dụng công nghệ khai thác sử dụng giàn chống cứng
đối với các vỉa than dày trung bình, dốc đứng tại một số mỏ hầm lò thuộc
Liên Xô cũ thể hiện trong bảng 1.1 [23].
Bảng 1.1. Các chỉ tiêu KT-KT đạt được của HTKT bằng giàn chống tại
một số mỏ thuộc Liên Xô (cũ)
Tên mỏ

Chiều

Góc

dày

dốc

vỉa, m vỉa, độ

Loại giàn
chống

Chiều

Sản lượng

Năng suất

Tỷ lệ

dài

khai thác,

lao động,

tổn

giàn, m

T/tháng

T/công

thất, %

5,96-10,68

24

Kiselovsk

3,0-4,0 56-63

Phân mảng

24-36

6.093-8.406

Taibinsk

3,6-4,1 66-69

Phân mảng

24-36

6.032-10.905 5,52-12,28

Trernaia gora 3,2-4,6 60-72

Phân mảng

30-34

3.143-6.171

24-34

4.630-10.544 4,32-10,32

24-33

9.758-12.431

7,12-9,68

30

24-36

4.055-8.093

5,4-8,52

-

18-30

4.841-10.610

3,46-4,58

12,4

Hầm lò số 13 2,9-3,7 54-58

70

Không phân

mảng
Không phân

4,59-7,5

25,8
-

Ziminka 1-2

4,0-4,2

Kalininka

3,5-4,7 68-72

Koksovai-1

2,8-3,1 70-78

Kalininka

1,8-2,0

72

Giàn vòm

-

4.168-5.716

6,08-7,88

16,1

ArtromUgol

1,5-1,8

60

Giàn vòm

30

3.572-4.243

3,59-5,46

-

Treliabinsk

3,5-4,0

>60

27

4.100

-

22

mảng
Không phân
mảng
Không phân
mảng

Không phân
mảng


9

1.1.2. HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp giàn chống tự
hành kết hợp máy bào than
HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp giàn chống tự
hành kết hợp máy bào than kiểu ANSH, ASHM (АНЩ, АЩМ) được nghiên
cứu phát triển và áp dụng thành công tại bể than Donbass từ những năm 1960,
sau đó đã được áp dụng rộng rãi tại Liên Xô (cũ), nhiều nước Đông Âu và
Trung Quốc.

Hình 1.3. HTKT bằng giàn chống, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp ANSH (АНЩ)
Bản chất HTKT này kế thừa từ các HTKT bằng giàn chống. Theo đó,
khai trường mỏ cũng được chuẩn bị theo hệ thống khai thác chia cột theo
hướng dốc. Các thông số cơ bản của HTKT gồm: chiều rộng cột khai thác

(theo đường phương) khoảng 40 ÷ 60 m, chiều dài cột khai thác (theo hướng


10

dốc vỉa) phụ thuộc vào chiều cao tầng khai thác, từ 100 ÷ 300 m. Tổ hợp thiết
bị khấu - chống được lắp đặt tại lò dọc vỉa thông gió và khấu theo hướng dốc.
Trong quá trình khai thác sẽ chống giữ hậu thượng thông gió phía cột tiếp
theo bằng hộ chiếu chống gỗ liền vì. Công tác di chuyển giàn chống bằng tự
trọng và sự hỗ trợ qua lại giữa các giàn chống liền kề thông qua kích thủy lực.
Công tác khấu than, tải than bằng máy bào chuyên dụng (xem hình 1.3).
Dây chuyền thiết bị CGH khai thác theo HTKT bằng giàn chống gồm
tổ hợp giàn chống tự hành kết hợp máy bào than, phổ biến nhất là tổ hợp
2ANSH. Lò chợ 2ANSH có ưu điểm là công suất tương đối lớn (có thể đạt
250.000 tấn/năm [25]) so với các công nghệ khác trong cùng điều kiện, năng
suất lao động cao, tỷ lệ tổn thất và chi phí mét lò chuẩn bị đều rất thấpdo
không phải để lại trụ than bảo vệ và đào lại các thượng thông gió - vận tải
giữa các cột khai thác. Đặc biệt là CNKT có mức độ CGH rất cao, sử dụng ít
lao động và có thể cho phép người lao động điều khiển tổ hợp từ phía ngoài lò
chợ. Nhược điểm chủ yếu của HTKT này là khả năng thích nghi thấp với biến
động địa chất vỉa than, việc giữ hậu các thượng thông gió bằng chống gỗ liền
vì làm tăng chi phí gỗ.
1.1.3. HTKT cột dài theo phương, CGH đồng bộ sử dụng tổ hợp giàn chống
tự hành kết hợp máy bào hoặc combai khấu than
Hầu hết các sơ đồ HTKT cột dài theo phương, CGH đồng bộ chỉ có
điều kiện áp dụng hiệu quả với vỉa than dốc thoải đến nghiêng (α ≤ 35º). Tuy
nhiên, một số đồng bộ thiết bị CGH đã được phát triển, thiết kế đặc biệt để
khai thác đối tượng vỉa than dày trung bình, dốc đứng.Có thể kể đến các tổ
hợp AK-3, KGU (АК-3, КГУ) của Liên Xô (cũ) [22]. Ngoài ra, những năm
gần đây, tại tại Tây Ban Nha, Séc, Trung Quốc…đã chế tạo được các đồng bộ

thiết bị CGH và áp dụng trong sản xuất sơ đồ HTKT cột dài theo phương với
góc dốc lò chợ trên 55.Sơ đồ HTKT cột dài theo phương, CGH đồng bộ sử


11

dụng các tổ hợp kiểu KGU của Liên Xô (cũ) được áp dụng để khai thác điều
kiện vỉa than dày trung bình, góc dốc vỉa từ 35 ÷ 90º, đá trụ vỉa từ bền vững
trung bình đến rất bền vững (xem hình 1.4).

Hình 1.4. Sơ đồ HTKT cột dài theo phương,CGH đồng bộ
sử dụng tổ hợp giàn chống KGU (КГУ)
Theo sơ đồ HTKT này, khu vực khai thác được chuẩn bị theo hệ thống
cột dài theo phương.Các thông số cơ bản của HTKT gồm:chiều dài lò chợ
khoảng 120 m, chiều dài theo phương của cột khai thác phụ thuộc vào điều
kiện vỉa than, thường không nhỏ hơn 300 m. Tổ hợp được lắp đặt tại thượng


12

khởi điểm và khấu than theo đường phương. Có các loại tổ hợp 1KGU,
2KGU, 3KGU tương ứng với chiều dày vỉa từ 0,6 - 1,0 m; 0,75 - 1,2 m và 0,9
- 1,5 m. Ngoài ra, còn có các tổ hợp KGU-D, KGU-M được tự động hóa hoàn
toàn, cho phép người lao động điều khiển tổ hợp từ phía ngoài lò chợ. Khấu
than bằng các loại máy khấu tay ngắn như Komsomoles, Temp-1, A-70, KND
và Poisk-2 với trình tự khấu than từ dưới lên trên, di chuyển dọc tuyến lò chợ
nhờ sự hỗ trợ của tời kéo chậm đặt ở lò dọc vỉa thông gió [22].
Ưu điểm của HTKT cột dài theo phương, CGH đồng bộ sử dụng các tổ
hợp tự hành tương tự như KGU là chuẩn bị lò chợ theo phương tương đối đơn
giản và cho phép tập trung hóa sản xuất cao (do chiều dài cột theo phương

lớn), phương pháp khấu chống CGH do đó cho sản lượng tương đối tốt, từ
560 - 700 tấn/ca, năng suất lao động cao. Nhược điểm chủ yếu của HTKT là
hệ thống thiết bị có trong lượng lớn, phức tạp, đòi hỏi tiêu hao năng lượng lớn
để vạn hành, đồng thời đòi hỏi tay nghề của công nhân rất cao. Trường hợp tổ
hợp sảy ra trục trặc về thiết bị giàn chống trong quá trình vận hành, việc sửa
chữa, thay thế rất phức tạp và gần như không khả thi.
1.1.4. HTKT dạng buồng sử dụng lỗ khoan dài, đường kính lớn
HTKT dạng buồng, nổ mìn trong các lỗ khoan dài, đường kính lớn đã
được áp dụng tại một số nước như Nga, Ba Lan, Đông Đức (cũ) và Anh để
khai thác các vỉa than mỏng đến dày trung bình, dốc đứng. Theo sơ đồ HTKT
này, khu vực khai thác được chuẩn bị bởi các lò dọc vỉa phân tầng cách nhau
20 ÷ 30 m. Tại các lò dọc vỉa phân tầng tiến hành khoan các lỗ khoan dài,
đường kính lớn, cách nhau 8 ÷ 12 m và nổ mìn để khấu than theo hướng từ
biên giới khai trường về trung tâm (xem hình 1.5) [21].