Nghiên cứu lựa chọn một số thông số của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 25 độ vùng quảng ninh

..

BÙI THANH NHU

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

BÙI THANH NHU

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 LỊ CĨ GĨC DỐC ĐẾN 250
VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

HÀ NỘI - 2014


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 LỊ CĨ GĨC DỐC ĐẾN 250

VÙNG QUẢNG NINH

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. ĐINH VĂN CHIẾN
2. PGS.TS. TĂNG HUY

HÀ NỘI - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực. Những kết quả của luận án chưa từng
được ai công bố.
Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2014
Tác giả luận án

Bùi Thanh Nhu


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG KHAI THÁC
THAN HẦM LÒ .................................................................................................... 6
1.1. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh. .......................................................................................... 6
1.1.1. Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam .......................................... 6
1.1.2. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hoá khai thác tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh .......................................................................................... 6
1.2. Giới thiệu thiết bị chống ở một số nước trên thế giới ............................. 15
1.2.1. Giới thiệu khái quát về cột chống thủy lực đơn................................... 16
1.2.2. Giới thiệu khái quát về giá thủy lực di động và giá thủy lực di động
dạng khung. .................................................................................................. 16
1.2.3. Giới thiệu khái quát về giàn chống thủy lực tự hành. .......................... 19
1.3. Giới thiệu thiết bị chống ở các mỏ hầm lò Việt Nam. ............................ 20
1.3.1. Cột chống thủy lực đơn DZ22 và NDZ22 .......................................... 21
1.3.2. Giá đỡ thủy lực di động XDY ............................................................. 21
1.3.3. Giàn chống tự hành ZZ3200 .............................................................. 22
1.3.4. Giàn chống tự hành VINALTA ......................................................... 22
1.3.5 Giàn tự hành KĐT-1 ........................................................................... 23
1.3.6. Giàn chống 2ANSH ............................................................................ 23
1.3.7. Giá thủy lực di động dạng khung ZH1600/16/24Z.............................. 24
1.4. Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc và Việt Nam; Vấn đề
nghiên cứu của luận án ................................................................................. 29


1.4.1. Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc .......................... 29
1.4.2. Tại Việt Nam ...................................................................................... 32
1.4.3. Vấn đề nghiên cứu của đề tài luận án.................................................. 35
Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ PHỤC VỤ TÍNH TỐN, GIÁ KHUNG
THỦY LỰC.......................................................................................................... 37
2.1. Tác động tương hỗ giữa vì chống và đất đá mỏ ..................................... 37

2.2. Ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì
chống và đá vách .......................................................................................... 40
2.3. Một số giả thuyết về áp lực mỏ.............................................................. 44
2.3.1. Giả thuyết áp lực mỏ vòm cân bằng tự nhiên của giáo sư Protodiakonov
M.M.......... ................................................................................................... 44
2.3.2. Lý thuyết các block liên động do Kuznesov G.H. ............................... 47
2.4. Lý thuyết về cơ học môi trường liên tục ................................................ 48
2.4.1. Ten xơ ứng suất .................................................................................. 48
2.4.2. Định luật Húc ..................................................................................... 48
2.4.3. Ứng suất tương đương Von – Mises ................................................... 50
2.5.Lý thuyết về ống dày .............................................................................. 52
2.5.1. Khái niệm ống dày: ............................................................................ 52
2.5.2. Cơng thức tính ứng suất và chuyển vị ................................................. 53
Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ
CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC ........................................................................ 58
3.1. Nghiên cứu khả năng chịu tải của giá khung ......................................... 58
3.1.1. Các bước công nghệ khai thác được mô tả như sau: ........................... 58
3.1.2. Số liệu về việc sử dụng giá khung thủy lực di động của Tập đồn ThanKhống sản Việt Nam ..................................................... ............................. 59
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..................................... .......... 60
3.1.4. Phân tích về khả năng chịu tải của giá khung:..................................... 64


3.2.Tính tốn mái trên .................................................................................. 65
3.2.1. Thiết lập cơng thức kiểm nghiệm độ bền mái trên .............................. 65
3.2.2. Nghiệm bền mái trên của khung giá ZH 1600/16/24Z ........................ 69
3.2.3. Ứng dụng mô phỏng số vào nghiệm bền kết cấu mái trên ................... 70
3.3. Nghiên cứu tính tốn, nghiệm bền cột chống ......................................... 74
3.3.1.Tính tốn độ bền piston ....................................................................... 74
3.3.2. Tính tốn độ bền xylanh ..................................................................... 75

3.4. Tính tốn độ ổn định của cột chống ....................................................... 86
Chương 4: TÍNH TỐN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA
GIÁ KHUNG THỦY LỰC DÙNG TRONG KHAI THÁC HẦM LỊ VÙNG
QUẢNG NINH CĨ GĨC DỐC ĐẾN 250 ........................................................... 89
4.1. Tính tốn lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di
động ............................................................................................................. 89
4.1.1. Phương pháp tính tốn để xác định các thơng số hợp lý ...................... 89
4.1.2.Tính tốn lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên .............................. 89
4.1.2. Thiết kế, nghiệm bền chi tiết mái trên ................................................. 93
4.1.3. Tính tốn, lựa chọn tiết diện hợp lý cho cột chống .............................. 99
4.2. Lựa chọn kích thước hợp lý cho khung giá trong điều kiện làm việc góc
dốc lên tới 25o............................................................................................ 103
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 105
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ.........107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 108
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 111


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

lt

Chiều rộng tồn phần

mm

lab

Chiều rộng lị chợ

mm

ls

mm

q

Chiều dài consol- bước sập đổ trần than và đá vách
phá hỏa
Tải trọng vách trực tiếp lên vì chống

R1

Tải trọng lên cột phía trước

N

R2

Tải trọng lên cột phía sau

N

Mu

Mơ men uốn

Nmm

Mơ men qn tính mặt cắt ngang

mm4

[]

Ứng suất cho phép

MPa

c

Ứng suất chảy của vật liệu

MPa

eq

Ứng suất tương đương Von-Mises

MPa

J

N/mm

F

Lực tác dụng lên piston khi làm việc

p

Áp suất bên trong của xylanh

MPa

S

Diện tích mặt cắt ngang của piston

mm2

r1

Bán kính trong của xylanh

mm

r2

Bán kính ngồi của xylanh

mm

σr

Ứng suất hướng kính

MPa

σt

Ứng suất tiếp

MPa

1

Ứng suất chính theo phương 1

MPa

2

Ứng suất chính theo phương 2

MPa

3

Ứng suất chính theo phương 3

MPa

 yield

Giới hạn chảy

MPa

N


Von Mies

Điều kiện dẻo Von Mies

MPa

Tresca

Điều kiện dẻo Tresca

MPa



Khoảng cách từ tâm đến các điểm trên thành xylanh,
r1    r2

mm

s

Chiều dày thành xylanh

mm



Mô đun đàn hồi



Hệ số poat-xông

MPa, GPa


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Tổng hợp trữ lượng các khu vực huy động vào đánh giá ............................... 8
Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật của giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z............... 26
Bảng 1.3. Thơng số kích thước và kết quả tính tốn nghiệm bền ................................. 33
Bảng 1.4. Thơng số kích thước và kết quả tính tốn nghiệm bền ................................. 34
Bảng 1.5. Thơng số kích thước và kết quả tính tốn nghiệm bền ................................. 35
Bảng 3.1. Kết quả tính tốn của mái trên trong trường hợp chịu tải 160 tấn.................. 69
Bảng 3.2. Các giá trị về đặc trưng hình học, vật liệu của cột chống............................. 87
Bảng 4.1. Kết quả tính tốn kích thước hợp lý cho mái trên ........................................ 91
Bảng 4.2. Kết quả tính tốn kích thước hợp lý cho cột chống.................................... 101
Bảng 4.3. Kích thước hợp lý cho mái trên ............................................................... 103
Bảng 4.4. Kích thước hợp lý cho cột chống............................................................. 104


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Quan hệ giữa chiều dày vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố 9
Hình 1.2. Quan hệ giữa góc dốc vỉa với tổng trữ lượng ............................................ 10
có khả năng cơ giới hố .......................................................................................... 10
Hình1.3. Quan hệ giữa chiều dày, góc dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ
giới hố ................................................................................................................. 11
Hình 1.4. Quan hệ giữa chiều dài theo phương khu vực khai thác........................ 12
với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố .......................................................... 12
Hình 1.5. Quan hệ giữa phạm vi giới hạn chiều dài theo phương khu vực ........... 13
khai thác với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố ........................................... 13
Hình 1.6. Quan hệ giữa chiều dài theo theo độ dốc khu vực khai thác ................. 14
với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố .......................................................... 14
Hình 1.7. Hình ảnh cột chống thủy lực đơn. ......................................................... 16
Hình 1.8. Giá thủy lực di động.............................................................................. 17
Hình 1.9. Giá thủy lực di động dạng khung mã hiệu ZH. ..................................... 18
Hình 1.10. Giàn chống tự hành mã hiệu ZZ và ZDB............................................ 20
Hình 1.11. Giàn chống tự hành KDT-1. ............................................................... 20
Hình 1.12. Giàn chống TH- 2ANSH .................................................................... 20
Hình 1.13. Giàn chống tự hành VINALTA .......................................................... 22
Hình 1.14. Kết cấu tổ hợp giá chống thủy lực....................................................... 25
Hình 1.15. Kết cấu mái trên giá chống thủy lực.................................................... 25
Hình 1.16. Mái trên chịu tải trọng tập trung về hai phía ....................................... 30
Hình 1.17. Mái trên chịu tải tập trung tại chính giữa ............................................ 30
Hình 1.18. Mái trên chịu tải xoắn ......................................................................... 31
Hình 1.19. Mái trên chịu tải lệch một bên............................................................. 32
Hình 1.20. Tải trọng khi làm việc ......................................................................... 32
Hình 1.21. Ứng suất, mơ men, độ võng, góc xoay................................................ 33
Hình 1.22. Tải trọng khi làm việc ......................................................................... 33


Hình 1.23. Ứng suất, mơ men, độ võng, góc xoay................................................ 34

Hình 1.24. Tải trọng khi làm việc ......................................................................... 34
Hình 1.25. Ứng suất, mơ men, độ võng, góc xoay................................................ 35
Hình 2.1. Đồ thị quan hệ độ dịch chuyển của đá vách và tải trọng của vì chống . 39
Hình 2.2. ............................................................................................................... 41
Vùng ảnh hưởng của khấu than đến sự dịch chuyển của đá vách ......................... 41
Hình 2.3. Sự hình thành vịm cân bằng tự nhiên ở khu khai thác.......................... 45
Hình 2.4. Sơ đồ tính tải trọng tác động lên giá chống thủy lực. ............................ 46
Hình 2.5. Sơ đồ lực tác dụng lên cột của giá chống thuỷ lực. .............................. 47
Hình 2.6. Ten xơ ứng suất..................................................................................... 48
Hình 2.7.Mơ hình tính tốn................................................................................... 50
Hình 2.8. Ứng suất Vôn –Mises trong không gian ứng suất chính ....................... 52
Hình 2.9. Mơ hình tính tốn.................................................................................. 52
Hình 2.10. Điều kiện cân bằng phân tố ................................................................. 54
Hình 3.1. Số lượng lị chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo áp suất lị chợ
tác dụng lên giá khung .......................................................................................... 60
Hình 3.2. Trạm đo áp lực ...................................................................................... 61
Hình 3.3. Biểu đồ theo dõi áp lực mỏ tại khu vực 10 bộ giá khung áp dụng thử
nghiệm .................................................................................................................. 62
Hình 3.4. Biểu đồ phân bố áp lực mỏ tại lò chợ mức +150 +180 vỉa 5 T.IC  T.I
Công ty than Nam Mẫu ........................................................................................ 63
Hình 3.7. Giả thiết về sơ đồ chịu tải của mái trên ................................................. 65
Hình 3.8. Mơ hình tính tốn nghiệm bền cho mái trên ........................................ 65
Hình 3.9. Tiết diện mặt cắt ngang của mái trên ................................................... 68
Hình 3.10. Tiết diện mặt cắt ngang hợp lý của mái trên tương ứng trường hợp
160T, độ bền cho phép []=510 MPa, hệ số an tồn n = 1.5 ................................ 69
Hình 3.11. Mơ hình hình học khi mơ phỏng tính tốn .......................................... 71
khả năng chịu tải mái trên ..................................................................................... 71


Hình 3.13. Ứng suất tương đương Von – Mises ................................................... 72

Hình 3.14. Các thành phần ứng suất chính A, B, C; biến dạng tương đương của
mái D .................................................................................................................... 73
Hình 3.15. Mơ hình hình học ................................................................................ 78
Hình 3.16. Kết quả về phân bố trường ứng suất cho trường hợp áp suất trong
xylanh 20 MPa...................................................................................................... 78
Hình 3.17. Đồ thị sự phân bố ứng suất tương đương theo chiều dày thành, tương
ứng trường hợp r1 = 55 mm; r2 = 60 mm. ............................................................. 79
Hình 3.19. Đồ thị sự phân bố ứng suất tương đương lớn nhất khi thay đổi áp suất
và chiều dày thành, tương ứng trường hợp r1 = 55 mm. ....................................... 80
Hình 3.21. Đồ thị xác định tải trọng tới hạn của cột chống................................... 88
Hình 4.1. Sự phụ thuộc kích thước h0min vào tải trọng làm việc và ....................... 93
vật liệu chế tạo mái trên ........................................................................................ 93
Hình 4.2. Hình dạng mặt cắt ngang của mái trên .................................................. 94
Hình 4.3.a. Phân bố trường ứng suất trong mái ứng với tải trọng 120 Tấn........... 95
Hình 4.3.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái tương ứng trường hợp ..................... 95
tải trọng 120 Tấn................................................................................................... 95
Hình 4.4.a. Phân bố trường ứng suất trong mái ứng với tải trọng 140 Tấn........... 96
Hình 4.5.a. Phân bố trường ứng suất trong mái ứng với tải trọng 160 Tấn........... 97
Hình 4.4.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái tương ứng trường hợp tải trọng 140
Tấn ........................................................................................................................ 96
Hình 4.5.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái tương ứng ........................................ 97
trường hợp tải trọng 160 Tấn ................................................................................ 97
Hình 4.6. Tập trung ứng suất tại khớp nối ............................................................ 98
Hình 4.7. Sự phụ thuộc kích thước r2 vào tải trọng làm việc và ......................... 103
vật liệu chế tạo cột chống.................................................................................... 103


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Trong lĩnh vực khai thác than ở Việt Nam, phương pháp khai thác than
hầm lò ngày càng chiếm tỉ lệ lớn. Nhu cầu tăng nhanh sản lượng, giảm chi phí
sản xuất và đảm bảo an toàn lao động là vấn đề cấp bách đối với các mỏ than
hầm lò vùng Quảng Ninh. Một trong các hướng giải quyết là từng bước hồn
thiện cơng nghệ khai thác, áp dụng cơ giới hóa từng phần và đồng bộ khai
thác hầm lị.
Ngun cơng chống giữ lị chợ trong khai thác than hầm lò là một khâu
rất quan trọng. Vì vậy việc nghiên cứu phát triển cơng nghệ, thiết bị chống
giữ lị ln được quan tâm.
Các mỏ khai thác than hầm lò ở nước ta hiện nay dùng chủ yếu là cột
chống thủy lực đơn và giá thủy lực di động. Các loại giá này đều phải nhập từ
nước ngoài.
Qua nghiên cứu các loại thiết bị chống ở mỏ hầm lị Việt nam, giá
khung thủy lực có kết cấu đơn giản, dễ vận hành, được nhiều mỏ sử dụng.
Việc áp dụng giá khung di động tại các mỏ than hầm lò Việt Nam trong
thời gian qua tuy mới ở giai đoạn thử nghiệm, nhưng đã có kết quả đáng
khích lệ, như: Nâng cao hiệu quả, an tồn, giảm tổn thất tài nguyên trong khai
thác than hầm lò và có thể khẳng định chủ trương đầu tư, áp dụng rộng rãi
mơ hình cơng nghệ này của Tập đồn Cơng nghiệp Than- Khoáng sản Việt
Nam là hướng đi đúng đắn. Sự thành cơng của mơ hình cơng nghệ khơng chỉ
góp phần phát triển bền vững lĩnh vực khai thác than hầm lò mà còn là cơ sở
quan trọng để tiến tới cơ giới hoá, hiện đại hoá ngành than Việt Nam.


2

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, cơng
nghệ khai thác…Vì vậy để sử dụng có hiệu quả các loại giá khung thủy lực di

động trong điều kiện hầm lị 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. Từ
những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: “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 250 vùng Quảng Ninh”.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra một phương pháp tính tốn
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 250.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng 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,…, được đánh giá
tương đối phù hợp với điều kiện kỹ thuật khai thác than mỏ hầm lò.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tính tốn 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 250.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lập trình tính tốn lý thuyết, mơ phỏng và thực nghiệm.


3

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 lị vùng Quảng Ninh, thơng qua đo đạc áp suất trong

xylanh khi làm việc.
Xây dựng phương pháp tính tốn lựa chọn thơng 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 lị. 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 mơ phỏng q 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 lị có góc
dốc đến 250 vùng Quảng Ninh”, với các bảng biểu, hình vẽ, đồ thị và phần
phụ lục.
7. Luận điểm bảo vệ
- Thực nghiệm: Thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc có
thể tính tốn áp lực làm việc thực tế của giá khung thủy lực di động tại các
mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.


4

- Dùng giả thiết thanh hai bậc, ứng suất tương đương Von-Mises để
tính tốn độ bền, độ ổn định của cột chống.
- Sử dụng phương pháp lập trình tính tốn 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 tốn, 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 25o.
8. Điểm mới của luận án
- Xây dựng được mơ hình tính tốn mái giá để khảo sát và thiết lập
được mối quan hệ độ bền vật liệu và thơng 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 tốn 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 tốn độ ổn định của xylanh cột chống
với mơ 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 tốn.
- Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động
đang sử dụng trong Tập đoàn Than và Khống sản Việt Nam thơng 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.


5

- 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.

6

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 lị vùng Quảng Ninh.
1.1.1. Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam[8]
Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam là phát triển ổn định, bền
vững, bảo đảm hài hịa với mơi trường trên cơ sở áp dụng cơng nghệ thăm dị,
khai thác và chế biến tiên tiến, phù hợp với điều kiện mỏ địa chất và kinh tế
xã hội ở từng vùng. Phát triển ngành than phải đạt được mục tiêu hiệu quả
kinh tế, giảm tổn thất tài nguyên, an toàn lao động, bảo vệ môi trường sinh
thái, đáp ứng tối đa nhu cầu than cho phát triển kinh tế xã hội của đất nước.
Thị trường hóa ngành than để thu hút nguồn lực của mọi thành phần kinh tế
vào đầu tư phát triển ngành; đặc biệt là thu hút đầu tư nước ngồi vào thăm
dị, khai thác than ở vùng đồng bằng sông Hồng với quy mô lớn sau 2020.
1.1.2. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hoá khai thác tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh [9]
Hiệu quả khai thác phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố công nghệ. Đối
với cơng nghệ cơ giới hố khấu than ở lị chợ, điều kiện địa chất và kỹ thuật
mỏ là hai yếu tố quyết định khả năng áp dụng và hiệu quả kinh tế. Phương
pháp đánh giá khả năng áp dụng cơng nghệ cơ giới hố khai thác than được
dựa trên các kết quả nghiên cứu đánh giá điều kiện địa chất và kỹ thuật mỏ
các vỉa than sẽ huy động vào khai thác tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
và tổng hợp trữ lượng các khu vực có khả năng áp dụng cơ giới hố khai thác.
Từ đó xác định các khu vực đặc trưng và đề xuất định hướng lựa chọn sơ đồ

7

công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị cơ giới hoá khấu than và chống giữ
phù hợp.
Các điều kiện địa chất mỏ gồm:
- Chiều dày vỉa: Đây là một trong những thông số ảnh hưởng trực tiếp
đến lựa chọn thiết bị khấu than, năng suất của máy khấu cũng như việc đồng bộ
các thiết bị chống giữ trong quá trình khấu than. Các Nhà sản xuất thiết bị cơ
giới hoá đã thiết kế chế tạo các chủng loại thiết bị cho vỉa mỏng (0,51,2m),
trung bình (1,23,5m) và vỉa dày (>3,5m). Phạm vi nghiên cứu được mở rộng
phân loại chiều dày vỉa ở toàn bộ các vỉa than đưa vào đánh giá.
- Góc dốc vỉa: Cũng như chiều dày vỉa, góc dốc vỉa là yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến áp dụng phương tiện cơ giới hoá khấu than. Hiện nay
trên thế giới về cơ bản đã giải quyết xong vấn đề cơng nghệ cơ giới hố khấu
than lị chợ đối với vỉa có độ dốc đến 350. Đối với các vỉa mỏng và trung bình
khấu theo các sơ đồ cơng nghệ gương lị chợ dài hoặc gương ngắn.
Các điều kiện khác đảm bảo hiệu quả áp dụng cơ giới hóa là:
- Khơng có đứt gãy biên độ nhỏ trong khu vực lị chợ, hoặc nếu có thì
biên độ khơng vượt q 0,5m.
- Khu vực lị chợ có kích thước hình chữ nhật, chiều dài theo phương
tối thiểu >100 m.
- Đá vách trực tiếp thuộc loại ổn định trung bình, dễ sập đổ.
- Đá vách cơ bản thuộc loại vách nhẹ đến vách trung bình.
- Trụ vỉa thuộc loại bền vững trung bình.
- Trữ lượng cơng nghiệp khu vực lị chợ được khai thác liên tục bằng
một lò chợ cơ giới hố khơng nhỏ hơn 100.000 tấn.
Các yếu tố kỹ thuật cơ bản ảnh hưởng đến hiệu quả áp dụng cơng nghệ
khai thác cơ giới hố bao gồm:

8

- Phương pháp mở vỉa và chuẩn bị ruộng mỏ;
- Hệ thống khai thác và vận tải;
- Phương pháp chống giữ và điều khiển đá vách;
- Các thông số kỹ thuật khác và biện pháp thơng gió, an tồn.
Trên cơ sở các chỉ tiêu định lượng như trên, đã tiến hành đánh giá và
phân loại các khu vực khai thác trong ranh giới quản lý của một số mỏ hầm lị
chính vùng Quảng Ninh. Đây là các khu vực, mỏ có điều kiện địa chất - kỹ
thuật mỏ đại diện cho vùng Quảng Ninh. Tổng trữ lượng các khu vực được
đánh giá là 490,190 triệu tấn. Trữ lượng các khu vực có khả năng áp dụng cơ
giới hố trong giới hạn nghiên cứu đánh giá là 280,887 triệu tấn.
Bảng 1.1. Tổng hợp trữ lượng các khu vực huy động vào đánh giá
TT

Tên khu vực, mỏ

1

Mạo Khê

2

Mức khai
Thác

Trữ lượng

Trữ lượng có

địa chất

khả năng cơ giới

(1000T)

hoá (1000T)

-150  -25

45.049

22.655

Vàng Danh

-150  +400

289.881

166.884

3

Than thùng- Nam mẫu

+125  +350

68.831

37.614

4

Hòn Gai

-150  +200

50.960

26.916

5

Dương Huy

-150  200

14.391

8.140

6

Khe Chàm

+38  +200

3.961

2.039

7

Mông Dương

-50  +32

17.117

16.640

490.190

280.887

Tổng cộng

Trong phạm vi các khu vực có khả năng cơ giới hố, các yếu tố định
lượng quyết định đến lựa chọn mơ hình cơ giới hố bao gồm chiều dày vỉa,
góc dốc vỉa, chiều dài theo phương khu khai thác, chiều dài theo độ dốc khu
khai thác. Các yếu tố trên được nghiên cứu đánh giá tổng thể theo mối tương


9

quan với trữ lượng của chính khu vực đưa vào nghiên cứu.
Nghiên cứu mối tương quan giữa chiều dày vỉa với tổng trữ lượng cho
thấy, các khu vực có khả năng cơ giới hoá vùng Quảng Ninh tập trung trong
giới hạn chiều dày vỉa từ trung bình đến dày (hình 1.1).

Phân tích yếu tố chiều dày vỉa trên cơ sở phân cấp theo độ dày cách
nhau 0,5m nhằm phù hợp với việc lựa chọn đồng bộ thiết bị cơ giới hoá. Qua
biểu đồ mối tương quan giữa chiều dày vỉa với tổng trữ lượng thể hiện tại các
khu có khả năng cơ giới hoá tại các mỏ vùng Quảng Ninh, chiều dày vỉa tập
trung lớn nhất trong giới hạn trên 4,5 m chiếm 51,21% tổng trữ lượng. Với
trình độ phát triển cơ giới hố khai thác hầm
lị hiện nay trên thế giới, chiều dày vỉa 3,5  4,5m đã được khấu đồng thời
một lớp, thậm chí tại một số khu vực có điều kiện thuận lợi với chiều dài theo
phương lớn đã thử nghiệm khai thác một lớp với chiều dày vỉa đến 6 m.
Trong điều kiện phức tạp tại vùng Quảng Ninh chỉ nên xem xét các giới hạn
chiều dày vỉa đến 3 m để có thể khai thác đồng thời (chiếm 20,03% tổng trữ
lượng có khả năng cơ giới hoá), từ 3,0 đến 4,5m (chiếm 28,76% tổng trữ
lượng) khấu kết hợp hạ trần than nóc. Đối với chiều dày vỉa trên 4,5m lựa
chọn khai thác hợp lý giữa hạ trần than nóc và chia lớp nghiêng.

Giíi h¹n chiỊu dµy vØa, m

>4 .5

51.2 1

4 .0 1- 4 .5

7.3 7

3 .51- 4 .0

7.9 9

3 .0 1- 3 .5

13 .4

2 .51- 3 .0

8 .4 2

2 .0 1- 2 .5

6 .9 3
3 .2 4

1.51- 2 .0
1.2 1-1.5

0 .74

<1.2

0 .7
0

10

20

30

40

50

60

T û lÖ p h ần tr ăm so vớ i tổ n g tr ữ l ư ợ n g , %

Hỡnh 1.1. Quan hệ giữa chiều dày vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố


10

Thành tựu phát triển cơ giới hoá trên thế giới đã giải quyết vấn đề
phạm vi áp dụng công nghệ cơ giới hố khai thác tại các vỉa có độ dốc đến
35 0, từ 360  450 và độ dốc từ 46 0  900. Kết quả đánh giá điều kiện vỉa có góc
dốc vỉa trong tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá vùng Quảng Ninh thể
hiện trên hình 1.2.
Phân tích mối tương quan giữa góc dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả
năng cơ giới hố cho thấy, trữ lượng có khả năng cơ giới hố tập trung chủ
yếu trong phạm vi vỉa có độ dốc đến 350 chiếm 68,64% tổng trữ lượng, phạm
vi giới hạn 250350 chiếm cao nhất 45,21%. Tiếp đến phạm vi góc dốc vỉa từ
35 0450 chiếm 16,39%. Yếu tố góc dốc vỉa ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn
đồng bộ thiết bị cơ giới hố, theo kết quả phân tích mối tương quan giữa góc
dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá trong điều kiện các vỉa
than vùng Quảng Ninh cần xem xét lựa chọn đồng bộ thiết bị cơ giới hố có
khả năng khai thác ở các phạm vi góc dốc vỉa đến 350, từ 35045 0, 45055 0 v
trờn 550.
55-90

5.58

Giới hạn góc dốc vỉa, độ

45-55

9.39

35-45

16.39

25-35

45.21

15-25

22.61

0-15

0.82
0

10

20

30

40

50

Tỷ lệ phần trăm so với tổng trữ lượng, %

Hỡnh 1.2. Quan hệ giữa góc dốc vỉa với tổng trữ lượng
có khả năng cơ giới hố
Mối tương quan giữa chiều dày, góc dốc với tổng trữ lượng có khả
năng cơ giới hố thể hiện trên hình 1.3.


11

Từ tổ hợp giữa chiều dày vỉa và góc dốc vỉa có thể xác định được đồng
bộ thiết bị cơ giới hóa phù hợp đem lại hiệu quả sản xuất cao. Phân tích mối
tương quan giữa chiều dày, góc dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ
giới hố cho thấy, tỷ lệ phần trăm trữ lượng có khả năng cơ giới hố tập trung
trong điều kiện vỉa có chiều dày đến 3m và góc dốc đến 350 chiếm 13,37%,
chiều dày vỉa từ 34,5m với góc dốc đến 350 chiếm 19,41% và vỉa có chiều
dày trên 4,5m, góc dốc đến 350 chiếm 35,86%. Tại các khu vực vỉa có góc
dốc từ 35 0450 với chiều dày đến 4,5m chiếm 8,83% và chiều dày trên 4,5m
chiếm 7,56%. Các vỉa có góc dốc từ 450550 có trữ lượng chiếm 9,39% tổng
trữ lượng có khả năng cơ giới hố. Ngồi ra vỉa có góc dốc trên 550 có trữ
lượng chiếm 5,58% tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố. Trên cơ sở trữ
lượng, độ dày và góc dốc vỉa xác định phạm vi nghiên cứu lựa chọn sơ đồ
công nghệ cơ giới hoá khai thác và đồng bộ thiết bị cơ giới hố khấu than,
chống giữ và vận tải.

Hình1.3. Quan hệ giữa chiều dày, góc dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ
giới hố

Một trong các yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu quả mơ hình cơ
giới hố khai thác là chiều dài theo phương khu vực khai thác. Yếu tố này ảnh


12

hưởng lớn đến thời gian lắp đặt, vận hành, tháo dỡ và di chuyển đồng bộ thiết
bị cơ giới hoá khai thác. Kết quả nghiên cứu và đánh giá yếu tố chiều dài theo
phương khu vực khai thác cho thấy, do ảnh hưởng của phay phá kiến tạo và
phương pháp mở vỉa, chuẩn bị tại các mỏ hầm lò, các khu vực hiện đang huy
động trữ lượng vào khai thác có chiều dài theo phương khơng lớn, như khu
vực cánh bắc Mạo Khê có chiều dài theo phương lớn nhất dao động trong
khoảng 700900m, khu Trung tâm Dương Huy dao động từ 600800m, khu
vực Khe Chàm I dao động từ 400700m, cịn lại phần lớn tại các mỏ có chiều
dài theo phương khu khai thác từ 350500m. Tại các mức sâu hơn, phụ thuộc
vào sơ đồ mở vỉa và chuẩn bị có thể tăng chiều dài một khu vực lên trên
1000m tại các mỏ Mạo Khê, Vàng Danh, Dương Huy, Khe Chàm. với hiện
trạng khai thác các tầng đang huy động vào khai thác và các tầng sẽ huy động
vào khai thác của các mỏ hầm lò, tỷ lệ phần trăm trữ lượng có khả năng cơ
giới hố phân theo chiều dài theo phương khu khai thác thể hiện trên hỡnh 1.4.
44.6

40
35
30
25
20

12.8
5.6

801-900

701-800

601-700

501-600

401-500

301-400

0

4.7

1.9

201-300

3.1
5

8.7

5.4

3.6

>1000

9.5

10

901-1000

15

100-200

Tỷ lệ phần trăm trữ lượng địa chất, %

45

Chiều dài theo phương khu khai thác, m

Hỡnh 1.4. Quan h giữa chiều dài theo phương khu vực khai thác
với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố
Trên hình 1.4 cho thấy, trữ lượng tập trung tại các khu vực có chiều dài
theo phương lớn hơn 1000m chiếm 44,6% tổng trữ lượng có khả năng cơ giới
hố. Tuy nhiên, trữ lượng này tập trung ở các mức sâu mỏ Mạo Khê, Vàng


13

Danh và Dương Huy hiện chưa có các cơng trình thăm dò và khai thác nhằm
xác định các phay phá kiến tạo. Trong phạm vi các khu vực khai thác có chiều
dài theo phương từ 5001000m, trữ lượng chiếm 39,4% tổng trữ lượng có khả

năng có giới hố, trữ lượng các khu vực trong phạm vi này tương đối chắc
chắn do đã có các cơng trình đường thăm dị và khai thác.
Theo kinh nghiệm xác định chiều dài theo phương khi chọn mơ hình cơ
giới hóa khai thác tại các nước CHLB Nga, Trung Quốc, Ba Lan, Séc, v.v...
có thể phân tích sự phân bố trữ lượng theo chiều dài theo phương trong tổng
trữ lượng khu khai thác trong các dải đến 300m, 300800m và trên 800m, kết
quả thể hiện trên hình 1.5.

Hình 1.5. Quan hệ giữa phạm vi giới hạn chiều dài theo phương khu vực
khai thác với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hố
Trữ lượng phân bố tập trung tại các khu vực khai thác có chiều dài theo
phương từ 300800m chiếm 42,02% tổng trữ lượng, dưới 300m chiếm
5,04%. Nếu chiều dài theo phương < 300m khả năng áp dụng cơ giới hoá
đồng bộ máy khấu kết hợp với giàn tự hành gặp nhiều khó khăn trong công
tác lắp đặt và di chuyển diện khai thác. Trên cơ sở mối tương quan giữa phạm
vi giới hạn chiều dài theo phương khu khai thác với tổng trữ lượng có khả
năng cơ giới hố, cho phép định hướng được mơ hình cơ giới hố thích hợp
cho các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.