(ĐHVO). Trong giai đoạn hiện nay đổi mới công nghệ khai thác than hầm lò cần được tiến hành theo hướng cơ giới hoá khâu khấu than, chống giữ lò chợ và khâu vận tải nhằm nâng cao trình độ cơ khí hóa dây chuyền sản xuất, thay thế dần lao động thủ công bằng lao động máy móc, tạo ra bước nhảy vọt về công nghệ. Đây là đòi hỏi cấp bách của quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngành than để cải thiện môi trường làm việc, nâng cao sức khỏe cho người lao động, hạn chế tối đa những tác động tới sức khỏe gây ra khuyết tật.
I. Đặt vấn đề
Hiện nay, khai thác than hầm lò chủ yếu là sản xuất thủ công với phương pháp khấu than bằng khoan nổ mìn, trình độ cơ giới hoá ở mức độ thấp tập trung chủ yếu ở khâu vận tải và bốc rót than. Các khâu công nghệ chính như đào lò, khấu than, chống giữ lò chợ đang được cơ giới hoá. Một vài năm trở lại đây, các mỏ hầm lò bước đầu phát triển áp dụng các loại cột chống thủy lực, giá XDY, giá khung, giàn chống cơ khí hóa thay thế vật liệu chống gỗ trong lò chợ và đã có những kết quả khả quan. Tuy nhiên, về bản chất công nghệ vẫn là lao động bán cơ giới với phương pháp khấu than bằng khoan nổ mìn, mức độ cơ giới hóa đào lò chưa cao. Để nâng cao sản lượng khai thác đáp ứng nhu cầu của nền kinh tế thị trường theo tổng sơ đồ phát triển ngành Than, các mỏ hầm lò cần tiến hành đổi mới công nghệ khai thác than hầm lò bằng các phương pháp khác mang lại hiệu quả kinh tế và an toàn..
Đổi mới công nghệ khai thác bao hàm đổi mới phương tiện, thiết bị khấu than, chống lò cũng như phương pháp, qui trình sử dụng chúng trong sản xuất. Trong giai đoạn hiện nay đổi mới công nghệ khai thác than hầm lò cần được tiến hành theo hướng cơ giới hoá khâu khấu than, chống giữ lò chợ và khâu vận tải nhằm nâng cao trình độ cơ khí hóa dây chuyền sản xuất, thay thế dần lao động thủ công bằng lao động máy móc, tạo ra bước nhảy vọt về công nghệ. Đây là đòi hỏi cấp bách của quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngành than.
Hiện nay các mỏ có vỉa mỏng dốc chưa được tính vào trữ lượng công nghiệp với lý do khó khai thác, hiệu quả không cao đặc biệt là các công nghệ khai thác truyền thống không mang lại hiệu quả kinh tế. Trữ lượng các vỉa mỏng dốc chiếm tỉ trọng tương đối lớn tại vùng mỏ Quảng Ninh, các vỉa này khi khai thác gặp nhiều khó khăn khó khăn khi thực hiện các giải pháp kỹ thuật khai thác than và mang lại hiệu quả thấp. Tại một số nước trên thế giới nhiều thử nghiệm công nghệ khai thác than mới như khai thác thủy lực, khí hoá than ngầm, đốt cháy than ngầm, chuyển thể than sang trạng thái hợp thể khác đều đã đem lại hiệu quả kinh tế, phù hợp kỹ thuật công nghệ cho mỗi điều kiện cụ thể. Một số Nga, Trung Quốc, Mỹ, Ba Lan… đã áp dụng công nghệ khai thác thủy lực và cũng đã chế tạo các thiết bị đồng bộ cơ giới hoá trong khai thác các vỉa mỏng, dốc đã đạt được kết quả tốt về mặt kỹ thuật và kinh tế. Công nghệ khai thác than bằng thủy lực khi áp dụng đòi hỏi một số yêu cầu đặc thù khi áp dụng công nghệ này đây cũng là nguyên nhân dẫn tới hạn chế phát triển công nghệ khai thác các vỉa than mỏng dốc trên thế giới nói chung và ở tại Việt Nam nói riêng. Với các vấn nêu trên, việc xây dựng các công nghệ hữu hiệu khai thác than bằng thủy lực cho các vỉa mỏng dốc tại Việt Nam là cấp thiết và giải quyết được mặt kỹ thuật và kinh tế, bởi vì cho phép khai thác hiệu quả các vỉa than mỏng, dốc mục tiêu giảm tổn thất than, huy động trữ lượng than này vào sản lượng chung của ngành mỏ Việt Nam, đây là tài nguyên quan trọng trên thị trường trong và ngoài nước rất quan tâm để đảm bảo an ninh năng lượng.
II- Triển vọng áp dụng công nghệ khai thác than vỉa mỏng, dốc bằng thủy lực
Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu đề xuất công nghệ khai thác vỉa mỏng, dốc trên cơ sở các nguyên lý dung thủy lực để đào lò và khai thác. Sơ bộ khi khai thác vỉa mỏng, dốc, chia ruộng mỏ thành các tầng theo hướng dốc và ở mỗi tầng tạo các mức vận tải và thông gió. Khai thông ruộng mỏ bằng các lò thượng và các dọc vỉa phân tầng đến các mức vận tải và thông gió. Khai thông các tầng và khai thác từng vỉa được tiến hành từ trên xuống dưới.Chiều cao giữa các mức vận tải và thông gió đối với các vỉa dốc mỏng là 50-80 m. Khai thác vỉa than được tiến hành bằng tổ hợp máy thuỷ lực với súng phun nước áp suất cao đến 90 MPa. Phương pháp được tiến hành như sau:
Sau khi tiến hành đào các lò đầu, lò chân tiến hành đào các lò dọc vỉa phân tầng từ trên xuống dưới. Các đường lò được đào bằng tổ hợp thuỷ lực vào đến danh giới khoanh lại của khu vực khai thác buồng hình H.1.
H.1. Sơ đồ công nghệ đào lò dọc vỉa than bằng tổ hợp thuỷ lực
Sau khi tiến hành đào các đường lò chuẩn bị xong sẽ tiến hành khai thác khoáng sản trên toàn bộ mặt chính diện gương lò bằng thủy lực. Than sau khi được tách ra khỏi vỉa than bằng sung phun bắn nước và trôi theo máng trượt xuống thượng thu hồi than, bằng cách như vậy, tách trực tiếp khoáng sản trong quá trình khai thác và vận chuyển hình H.2
H.2. Sơ đồ mở vỉa khai thác vỉa than bằng tổ hợp thuỷ lực
Than ở chân thượng sẽ được đưa lên bằng máy bơm thông qua hệ thống ống đẩy đẩy hỗn hợp vào đường ống. Than được thu hồi bằng cơ cấu dỡ tải cùng với phân tách tự động các đá kẹp bằng các thiết bị chuyên dùng. Thông qua các hệ thống gom tách nước than được đưa ra và chứa vào bun ke chứa tạm, từ đó đưa ra ngoài đến kho than ngoài mặt bằng.
Nước tuần hoàn phục vụ khai thác thác được đưa ra hồ chứa và được sử lý để sử dụng quay vòng tiếp theo.
Tia nước áp suất cao từ đầu phun của tổ hợp sẽ thực hiện phá huỷ và làm vỡ và nổi khoáng sản lên trên. Khấu bằng tổ hợp được tiến hành trong điều kiện nước áp lực, khi đó than trong vỉa bị tác phá trong quá trình đào lò và khai thác bằng thủy lực.
Tốc độ bắn ra của tia nước, lưu lượng chất lỏng và đường kính vòi phun là các thông số cơ bản của tổ hợp thuỷ lực. Tốc độ chảy của chất lỏng từ vòi phun là một hàm phụ thuộc vào áp suất. Hiệu quả khấu bằng thuỷ lực sẽ tăng khi tốc độ bắn ra của chất lỏng từ vòi phun đạt đến 100m/s và lớn hơn, còn áp suất bơm cần đạt được trong giới hạn từ 10 đến 30 MPa.
Chất lượng phun bắn nước phụ thuộc vào hình dáng và chất lượng gia công bề mặt bên trong vòi phun. Bề mặt bên trong vòi phun trơn nhẵn sẽ không những làm tăng hệ số lưu lượng mà còn giảm sự chảy rối ở lớp biên.
Vòi phun áp suất cao được chế tạo chủ yếu từ thép chịu mài mòn cao, chịu áp lực cao. Ở nước ngoài, các vật liệu kim cương và safia được thử nghiệm để chế tạo vòi phun đường kính nhỏ hoặc các chi tiết lắp ghép. Nhưng vấn đề này gặp phải một loạt các khó khăn, đặc biệt khi chế tạo vòi phun với đường kính lỗ phun 0,05 – 0,25 mm và áp suất chất lỏng 90MPa hoặc lớn hơn. Hệ thống bơm và súng phun như trên hình H.3
H.3.2 Súng bơm nước
H. 3. Các thiết bị chính khai thác các vỉa than mỏng dốc bằng tổ hợp thuỷ lực
Các thông số cơ bản để xác định điều kiện bắn phá của tia nước vào khối than là: Tốc độ phun của tia nước, khoảng cách ban đầu giữa vòi phun và gương khai thác, góc phun với khối than và số lượng các tia nước phun bắn vào gương than.
Kích thước, tiến độ của gương bị phá hủy được xác định như sau:
H = q(f, Pо, d, Vp, L, a, N) (1)
Trong đó:
f- Hệ số kiên cố của than ;
P0 – Áp suất của huyền phù; MPa
d – Đường kính lỗ vòi phun, mm;
Vp – Tốc độ phun của tia nước, m/s;
L- Khoảng cách ban đầu giữa vòi phun và khối cần phá huỷ, mm;
a- Góc phun của tia nước với khối bị phá huỷ, độ;
N- Số lượng tia nước phun vào rãnh gương;
Áp lực của tia nước bắt đầu quá trình phá huỷ được tính là giá trị tới hạn hình H.3. Thực tế cho thấy, khi tác động lên gương than, áp suất tia nước nhỏ hơn áp suất tới hạn, quá trình tách vỡ không xảy ra.
Chiều rộng rãnh (Br) cắt phụ thuộc chủ yếu vào đường kính vòi phun và khoảng cách ban đầu từ đầu vòi phun đến gương khai thác.
Áp lực tạo ra từ tổ hợp thuỷ lực cần đảm bảo phun ép gương khai thác và phá vỡ khối than theo bước di chuyển:
H. 3. Sơ đồ phá huỷ khối than bằng tia chất lỏng
Ftr = (rU/2)S.Н (2)
Trong đó: (1)- Vỉa than; (2)- Đầu súng phun thủy lực.
Ftr – Áp lực của bơm thuỷ lực cắt phá gương than;
r – Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3;
U – Tốc độ quay của trục vít, s-1;
S – Tiết diện của bơm trục vít, m2;
Để phá vỡ tốt hơn gương than, phun ép trở lại theo chiều chuyển động thẳng đứng.
Nhờ có lực đẩy (lực Asimet) các cục than được tách ra. Ngoài lực đẩy, khi các cục than chuyển động còn bị tác động bởi lực kháng chuyển động do ma sát nội của các lớp chất lỏng mà hướng ngược lại với vector vận tốc:
X = Qsina- F-Gsina ; (N) (3)
Trong đó:
X – Hình chiếu vector chính của ngoại lực đặt vào vật thể ở trục toạ độ, N;
Q – Lực đẩy (lực Asimet), N;
G – Tỷ trọng vật thể;
F – Lực kháng chuyển động trong chất lỏng, N;
a – góc nghiêng của vỉa, độ.
Qua tính toán phân tích đánh giá công nghệ khai thác bằng thủy lực áp dụng khai thác các vỉa mỏng dốc có thể áp dụng khai thác các vỉa này nhằm giảm tổn thất, huy động trữ lượng tài nguyên không trong phần đánh giá do điều kiện vỉa mỏng. Tuy nhiên cần nghiên cứu sâu hơn nữa để phù hợp điều kiện kỹ thuật mỏ của Việt Nam.
III. Kết luận
Đổi mới áp dụng công nghệ khai thác các vỉa dốc đứng không người trong gương trên cơ sở tổ hợp thuỷ lực kết hợp với huyền phù nhân tạo là thành tựu to lớn; bởi vì , bởi vì, trong quá trình khai thác than đã phối hợp quá trình khấu, vận chuyển và tuyển than – cho phép đơn giản hoá tối đa quá trình sản xuất khai thác than, cũng như cho phép tăng năng suất , chất lượng than thương phẩm, an toàn và cải thiện điều kiện lao động cho người thợ mỏ, không có người trong gương đào lò cũng như gương khai thác.
Các tổ hợp thiết bị khai thác bằng thủy lực hiện tại trên thế giới đã đáp ứng được các yêu cầu về công nghệ đào lò, khai thác. Tổ hợp thiết bị dễ điều khiển các thông số của thiết bị thuỷ lực được thực hiện tự động hoá cho phép tự điều khiển khoảng cách tối ưu từ vòi phun đến gương khai thác và lực cắt phá gương than.
Đây là hướng đi mới đưa công nghệ khai thác than bằng thủy lực vào Việt Nam góp phần đổi mới công nghệ, cải thiện được môi trường khai thác hầm lò. Tận thu và huy động được trữ lượng tài nguyên đối với các điều kiện vỉa mỏng dốc góp phần mang lại hiệu quả kinh tế chung cho TKV./.
TS. Nông Việt Hùng; ThS. Nguyễn Thị Thu Hương
KS. Vũ Mạnh Anh; KS. Nông Việt Trung
Viện Công nghiệp Môi trường
TS. Nguyễn Cao Khải; ThS. Ngô Thái Vinh; TS. Bùi Mạnh Tùng
Trường Đại học Mỏ Địa chất
Tài liệu tham khảo
[1]. Trương Đức Dư, Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khai thác và các giải pháp công nghệ kỹ thuật nhằm giảm tổn thất than ở mỏ than Vàng Danh.
[2]. Phương hướng cơ giới hóa đồng bộ khai thác vỉa dốc đứng và nghiêng, Graphov L.E; M: Nhedra -1978.
[3]. Phương pháp khai thác ngầm các vỉa khoáng sản mỏng dốc đứng và tổ hợp thiết bị khai thác. Brodt A.X., Burtrakov A.X., Bitkalov V.G.., Sarovar -1992.
cùng một số tài liệu tham khảo khác./.
