Giáo trình Công nghệ khai thác than hầm lò (Phần 1)

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ khai thác than hầm lò (Phần 1)

1. vũ đình tiến , trần văn thanh công nghệ khai thác than hầm lò hà nội - 2005
2. vũ đình tiến , trần văn thanh công nghệ khai thác than hầm lò hà nội - 2005
3. Vũ Đình Tiến , Trần Văn Thanh công nghệ khai thác than hầm lò Hà Nội - 2005
4. lời nói đầu Giáo trình "Công nghệ khai thác than hầm lò" được biên soạn dựa trên đề cương môn học của ngành Khai thác Mỏ đã được Bộ môn Khai thác Hầm lò thông qua. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã tích cực tham khảo những kinh nghiệm quý báu kinh qua hơn hai mươi năm giảng dạy môn học này của các thày giáo trong bộ môn Khai thác Hầm lò. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng tham khảo một cách chọn lọc một số giáo trình tương ứng của nước ngoài, với mục đích giới thiệu các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến của thế giới, có triển vọng áp dụng phù hợp với các điều kiện khai thác than hầm lò ở Việt Nam. Giáo trình này nằm trong chuỗi các môn học dùng để giảng dạy cho sinh viên chính ngành Khai thác Mỏ, nhưng cũng có thể là tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên của các chuyên ngành khác có liên quan. GVC. KS Vũ Đình Tiến biên soạn các chương I, II, III, IV, VII, VIII, X và XI. GVC. TS Trần Văn Thanh biên soạn các chương V, VI, IX, XII và XIII. Chúng tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo của Bộ môn Khai thác Hầm lò, đặc biệt là PGS. TS. Đặng Văn Cương và TS Nguyễn Anh Tuấn, những người đã dành nhiều thời gian và tâm sức để góp ý thiết thực cho bản thảo của giáo trình này. Dù sao, đây vẫn là lần xuất bản đầu tiên, không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp hữu ích của bạn đọc. Hà Nội, ngày 3 tháng 6 năm 2005 Các tác giả
5. 3 phần thứ nhất khái niệm chung về các quá trình sản xuất trong khai thác than hầm lò Chương 1 : Lịch sử và hướng phát triển công nghệ khai thác than hầm lò 1.1. Khái niệm về quy trình công nghệ khai thác than hầm lò Quy trình công nghệ khai thác là một tập hợp của nhiều khâu công tác, cần phải thực hiện theo một trình tự thời gian và không gian nhất định để lấy được khoáng sản có ích. Quy trình công nghệ khai thác than hầm lò có thể được hiểu theo nghĩa rộng và theo nghĩa hẹp. Theo nghĩa rộng, đó sẽ là tập hợp các quá trình mở vỉa và chuẩn bị ruộng than, quá trình khấu than trong các gương khai thác, quá trình vận tải than lên mặt đất và hàng loạt các vấn đề khác như sàng tuyển than, thông gió mỏ, thoát nước, cung cấp vật liệu, máy móc thiết bị và năng lượng, các quá trình công nghệ trên mặt bằng công nghiệp và v.v Theo nghĩa hẹp thì đó chỉ là tập hợp các công việc chuẩn bị và khai thác, cần được thực hiện trong một khu khai thác. Trong phạm vi giáo trình này, chủ yếu chúng ta sẽ xem xét những vấn đề trong nghĩa hẹp nói trên. Quy trình công nghệ khai thác than ở lò chợ được chia thành các công tác chính và các công tác phụ. Các công tác chính là các khâu tách than khỏi khối nguyên ban đầu, phá vỡ than đến cỡ hạt cần thiết, xúc bốc và vận tải than, chống giữ lò chợ và điều khiển áp lực mỏ. Các công tác phụ bao gồm việc di chuyển thiết bị vận tải theo tiến độ của gương lò chợ, cung cấp vật liệu, máy móc, thiết bị, năng lượng vào lò chợ, thông gió, chống bụi, thoát nước, chiếu sáng, thông tin liên lạc Như vậy, với các dạng công nghệ khai thác than khác nhau, sẽ có các tập hợp các công tác chính và phụ khác nhau, tức là các quy trình công nghệ khai thác than khác nhau. Công nghệ khai thác than hầm lò có thể được chia thành bốn dạng chính. Đó là công nghệ thủ công, công nghệ bán cơ khí hoá, công nghệ cơ khí hoá toàn bộ và công nghệ tự động hoá. Trong dạng công nghệ thủ công, hầu hết các khâu công tác chính đều phải thực hiện bằng sức người; còn ở công nghệ bán cơ khí hoá thì máy móc đã làm thay con người ở một số công tác chính và khi ứng dụng công nghệ tự động hoá, thì có thể loại trừ sự có mặt thường xuyên của con người trong lò chợ. 1.2. Các giai đoạn phát triển của công nghệ khai thác than hầm lò Để thấy rõ lịch sử phát triển công nghệ khai thác than hầm lò trên thế giới từ đầu thế kỷ XX đến nay, chúng ta phải xem xét các bước phát triển của công nghiệp than ở các nước sản xuất nhiều than và có trình độ công nghiệp tiên tiến trên thế giới, đó là các nước châu Âu, Bắc Mỹ, úc, Trung Quốc Qua đó, có thể thấy những giai đoạn phát triển công nghệ khai thác than hầm lò như sau: Giai đoạn I - Từ đầu thế kỷ XX đến trước đại chiến thế giới lần thứ hai: Trình độ cơ khí hoá sản xuất còn ở mức thấp, nhiều khâu công nghệ phải thao tác thủ công, nhất là ở các khâu chống lò và điều khiển áp lực mỏ. Trong giai đoạn này
6. 4 cũng có chế tạo và cải tiến một số loại máy đánh rạch, máy liên hợp khấu than và đào lò , nhưng trong lĩnh vực tự động hoá vẫn chưa áp dụng được gì. Giai đoạn II - Từ sau đại chiến thế giới lần thứ hai đến năm 1960: Tiếp tục nghiên cứu và áp dụng cơ khí hoá các quá trình sản xuất, nhưng việc cơ khí hoá chưa đồng bộ, mới chỉ dừng ở từng khâu công tác riêng biệt. Trong lĩnh vực tự động hoá đã nghiên cứu thành công các hệ thống điều khiển từ xa một số thiết bị riêng lẻ, tự động hoá một số thiết bị cố định. Giai đoạn III - Từ 1960 đến 1980: Có những thay đổi căn bản về chất lượng khai thác than hầm lò. Chế tạo thành công và áp dụng rộng rãi nhiều loại tổ hợp thiết bị cơ khí hoá toàn bộ việc khấu than, do đó sản lượng và chiều sâu khai thác của các mỏ than tăng lên rõ rệt. Công nghệ đào lò cũng được cơ khí hoá toàn bộ đã làm tăng tốc độ đào lò. Nhiều nơi đã áp dụng trục tải nhiều cáp ở giếng đứng. Việc tự động hoá cũng dần dần đi vào đồng bộ và có ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất. Một số thiết bị lẻ và tổ hợp không thích hợp với chế độ tự động hoá dần dần được thay thế bằng các loại thiết bị mới. Giai đoạn IV - Từ 1980 đến nay: Cùng với sự phát triển vũ bão của nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là sự phát triển mãnh liệt của kỹ thuật điện tử và công nghệ tin học, công nghệ khai thác than hầm lò đang chuyển biến dần về chiều sâu. Nhiều dây chuyền sản xuất tự động hoá, do được kiểm soát chặt chẽ, đã hoạt động ổn định và đem lại hiệu quả cao. Quá trình khai thác than đã và đang được gắn liền với việc đảm bảo điều kiện lao động an toàn cho thợ mỏ và bảo vệ môi trường thiên nhiên. 1.3. Hướng phát triển của công nghệ khai thác than hầm lò Xu hướng phát triển của ngành khai thác than hầm lò ở các nước tiên tiến trên thế giới bao gồm: - Tạo ra trong tương lai một dây chuyền công nghệ liên tục duy nhất, cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá để khai thác và vận chuyển than từ các gương lò chợ đến toa xe lửa hoặc bunke nhận than của nhà máy tuyển trên mặt đất ; - Lựa chọn đúng đắn mức độ tự động hoá theo sự hợp lý về kinh tế cho từng điều kiện cụ thể và theo yêu cầu đảm bảo an toàn lao động đến mức cao nhất ; - Tập trung hoá việc điều khiển và kiểm tra công tác của các khu vực và thiết bị sản xuất chủ yếu của mỏ hầm lò nhằm nâng cao tính linh hoạt trong việc điều khiển sản xuất, giảm thời gian chết của thiết bị, giảm số công nhân điều khiển máy móc, thiết bị ; - Cải tiến hệ thống khai thác nhằm tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho việc cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá ; - Gắn chặt quá trình khai thác than với nhiệm vụ bảo vệ môi trường để duy trì sự phát triển bền vững. 1.4. Tình hình và hướng phát triển của ngành than hầm lò ở Việt Nam Điều kiện địa chất ở các vùng than nước ta hiện nay có đặc điểm nổi bật là địa hình đồi núi, thích hợp cho khai thác lộ thiên. Do đó, tỷ trọng của sản lượng than khai thác bằng phương pháp hầm lò so với tổng sản lượng than khai thác hàng năm chỉ chiếm khoảng 30-35 %.
7. 5 Hiện nay, ngành khai thác than hầm lò Việt Nam còn khá lạc hậu so với các nước tiên tiến. Công nghệ khấu than và đất đá ở các gương lò khai thác và gương lò chuẩn bị chủ yếu là thủ công kết hợp với công tác khoan nổ mìn. Trong các gương lò chợ dài các công tác nặng nhọc và tốn thời gian như chống lò, điều khiển áp lực mỏ vẫn phải thao tác thủ công. Tuy nhiên, cho đến nay ngành than hầm lò của nước ta đã cơ khí hoá và bán cơ khí hoá được nhiều khâu công nghệ quan trọng của các mỏ. Việc vận tải than trong hầm lò và ngoài mặt bằng đã được cơ khí hoá hoàn toàn, hầu hết các mỏ hầm lò đã được trang bị đầu tầu điện và goòng 1 đến 3 tấn, hoạt động trên cỡ đường 600 đến 900 mm. Nhiều mỏ đã lắp đặt thành công hệ thống băng tải bán tự động và tự động để vận chuyển than trong giếng nghiêng và trên mặt bằng. Nhiều loại máy và thiết bị cố định chuyên dùng đã được cơ khí hoá và tự động hoá. Trong những năm 70 của thế kỷ trước ở mỏ Vàng Danh đã đưa máy liên hợp và vì chống đơn bằng thép vào khai thác thí điểm trong lò chợ, song do nhiều nguyên nhân khách quan cuộc thử nghiệm đó chưa đạt tới kết quả mong muốn. Vài năm gần đây, nhiều mỏ hầm lò đã đưa vào áp dụng thành công vì chống thuỷ lực đơn và vì chống tổ hợp kiểu giá thuỷ lực di động trong lò chợ, các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật của lò chợ đã được cải thiện đáng kể. Đặc biệt, tại mỏ Khe Chàm đã áp dụng thành công phương pháp khấu than bằng máy liên hợp, sản lượng của lò chợ đã được nâng lên hơn hai lần so với phương pháp khoan nổ mìn. Trong tương lai gần, cùng với việc nâng cao tổng sản lượng khai thác than, tỷ trọng sản lượng khai thác hầm lò sẽ gia tăng và có thể lên tới 50%. Do đó, muốn đáp ứng được yêu cầu về sản lượng và cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, ngành khai thác than hầm lò cần được phát triển theo các hướng sau đây : - Cải tạo những mỏ cũ và xây dựng một số mỏ mới theo hướng tăng sản lượng và tập trung hoá sản xuất ; - Ưu tiên áp dụng các hệ thống khai thác có gương lò chợ dài cùng với việc đầu tư hợp lý để cơ khí hoá các khâu công tác chính trong lò chợ. Nghiên cứu và dần dần áp dụng công nghệ bán cơ khí hoá và cơ khí hoá vào các gương lò ngắn ; - Nâng cao tốc độ đào các đường lò mở vỉa và chuẩn bị trên cơ sở áp dụng các loại máy và thiết bị đào lò có năng suất cao và hoàn thiện việc tổ chức công tác đào lò ; - Nâng cao năng lực vận tải trong hầm lò bằng cách thay goòng 1 tấn với cỡ đường 600 mm bằng goòng 3 đến 5 tấn với cỡ đường 900 mm, chú ý phát triển các phương tiện vận tải liên tục, chủ yếu là các tuyến băng tải ; - Gắn liền sự phát triển khai thác than với công tác bảo vệ môi trường thiên nhiên . Chương 2 : những nguyên tắc chung của công nghệ khai thác than hầm lò 2.1. Tăng cường độ và tập trung hoá sản xuất Tăng cường độ sản xuất ở mỏ là toàn bộ các biện pháp kỹ thuật và tổ chức nhằm nâng cao sản lượng trong một đơn vị thời gian của lò chợ, của tầng, của khoảnh, của cánh hay của vỉa trong ruộng mỏ.
8. 6 Việc tăng cường độ khai thác cho phép cải thiện các chỉ tiêu chính của các công tác mỏ, mà trước hết là các chỉ tiêu về năng suất lao động của công nhân và giá thành khai thác. Không nên nhầm lẫn hai khái niệm "tăng cường độ" và "tập trung hoá" trong sản xuất. Công tác mỏ có thể tiến hành với cường độ cao, nhưng không tập trung, tức là tiến hành đồng thời trên một số vỉa, một số cánh, một số tầng hay khoảnh và trong nhiều lò chợ. Tập trung hoá sản xuất ở mỏ là tập trung mức độ khai thác khoáng sản trong các xí nghiệp riêng biệt hay trong các khâu của chúng về mặt thời gian (giảm số ca sản xuất và số giờ làm việc) và về mặt không gian (giảm số đơn vị sản xuất: giảm số lò chợ, giảm số khu khai thác ). Các chỉ tiêu cơ bản của tập trung hoá là sản lượng của mỏ, sản lượng của lò chợ và chỉ tiêu tập trung hoá về mặt không gian. Cường độ khấu than được tính theo công thức: A ik = Llc trong đó: A - Sản lượng của mỏ trong một đơn vị thời gian, tấn; Llc - Tổng chiều dài trung bình của các gương lò chợ hoạt động trong thời gian đó, m. Cường độ vận tải được tính theo công thức: A ivt = Lvt trong đó: Lvt - Tổng chiều dài hoạt động trung bình của các lò vận tải. Chỉ tiêu mức độ tập trung về không gian của các công tác mỏ có thể được tính theo công thức: Llc itk = Lvt Giữa tập trung hoá và tăng cường độ sản xuất có quan hệ như sau: việc tăng cường độ khai thác, tức là tăng sản lượng trong một đơn vị thời gian trong khi các điều kiện khác gần như nhau, sẽ đưa đến nâng cao sự tập trung. Do đó, việc tăng cường độ có thể xem như là một biện pháp để đạt được sự tập trung hoá. Việc tăng cường độ và tập trung hoá có thể được thực hiện bằng các biện pháp sau: tạo nên kỹ thuật và công nghệ mới có hiệu quả hơn; sử dụng tốt hơn các máy móc, thiết bị khai thác và vận tải hiện có; giảm bớt sự ảnh hưởng của các yếu tố địa chất; nâng cao độ tin cậy và độ bền của các loại máy và thiết bị hiện có; cải tiến tổ chức lao động. 2.2. Tính nhịp nhàng và liên tục Tính nhịp nhàng trong sản xuất là một yêu cầu công nghệ tất yếu cho công tác của xí nghiệp mỏ, nhằm đạt được các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật cao và ổn định. Tính nhịp nhàng trong công tác của mỏ hầm lò nói chung và của từng khâu công nghệ nói riêng là sự tuân thủ nghiêm túc các chế độ khai thác, vận hành đã định trước trong một khoảng thời gian nhất định, để hoàn thành nhiệm vụ sản xuất.
9. 7 Tính nhịp nhàng trong khi hoàn thành các quy trình sản xuất cho phép loại trừ các loại gián đoạn trong công tác, vì không đáp ứng được việc cung cấp vật liệu và phụ tùng thay thế; việc tiến hành sửa chữa thiết bị theo đúng thời hạn quy định sẽ loại bỏ các sự cố, cũng như sự mất ổn định trong lúc vận hành và do đó nâng cao tính an toàn trong công tác. Tính an toàn càng được nâng cao khi tăng cường độ và tập trung hoá sản xuất. Giữa phương tiện cơ khí hoá mới và hình thức tổ chức lao động mới có một mối liên hệ hết sức chặt chẽ. Thí dụ, công nghệ khấu than thủ công, cũng như công nghệ khấu than bán cơ khí hoá thích hợp với hình thức tổ chức lao động theo chu kỳ, tức là các quá trình sản xuất của việc khấu than được tiến hành nối tiếp với các quá trình phụ phi sản xuất. Đối với công nghệ cơ khí hoá toàn bộ thì lại cần chuyển sang hình thức tổ chức lao động theo dây chuyền liên tục. Hình thức này đặc trưng bằng sự phối hợp chặt chẽ về thời gian tất cả các quá trình sản xuất chính và phụ. Vì vậy, tính nhịp nhàng và liên tục là điều kiện thiết yếu để thực hiện cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá sản xuất ở mỏ. Trong khai thác than, nguyên tắc cơ bản của phương pháp liên tục (tính liên tục của việc khấu than ở gương lò chợ) có thể biểu thị bằng hệ số liên tục: Tk klt = Tck trong đó : Tk - Thời gian khấu than trong một chu kỳ; Tck - Thời gian của một chu kỳ lò chợ. 2.3. Tính ít công đoạn trong quá trình sản xuất Một trong các yêu cầu cơ bản đối với công nghệ khai thác than hợp lý là giảm số bước công nghệ, mà chủ yếu là nhờ sự thay đổi về chất của các đặc điểm công nghệ khai thác than. ở các sơ đồ công nghệ phức tạp, có nhiều công đoạn thì phải dùng nhiều loại máy móc, thiết bị và dụng cụ khác nhau, lại cần có những công nhân lành nghề, cần nhiều quá trình và công đoạn phi sản xuất, khó phối hợp một cách rõ ràng để hoàn thành các quá trình và công đoạn. Từ đó thường dẫn đến sự ngừng trệ trong sản xuất và gây trở ngại cho việc tổ chức lao động theo phương pháp dây chuyền liên tục. Do đó, công nghệ hoàn thiện phải dựa trên cơ sở sơ đồ công nghệ có ít quá trình và công đoạn nhất và ít những chi phí sản xuất. Ưu điểm của sơ đồ công nghệ ít công đoạn là: đầu tư cơ bản để mua thiết bị ít, số người làm việc trong dây chuyền ít, dễ tổ chức thực hiện các công đoạn của dây chuyền phối hợp về thời gian, cải thiện được điều kiện an toàn lao động, tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc tự động hoá dây chuyền công nghệ. 2.4. Tính linh hoạt Tính linh hoạt của dây chuyền công nghệ là khả năng thích ứng của nó với sự thay đổi của các điều kiện khách quan. Các điều kiện tự nhiên của hoạt động khai thác mỏ luôn luôn biến động, thí dụ chiều dày, góc dốc của các vỉa than, lượng đá kẹp trong vỉa, tính chất của đá vách và đá trụ v.v Do đó, tính linh hoạt là một yêu cầu không thể thiếu đối với dây chuyền công nghệ khai thác mỏ, để đảm bảo nó hoạt động ổn định và có hiệu quả.
10. 8 Bên cạnh sự linh hoạt, thích ứng với điều kiện tự nhiên, dây chuyền công nghệ còn phải linh hoạt với những sự thay đổi của nhu cầu sản xuất. Thí dụ: có khả năng gia tăng cường độ khai thác; có khả năng thay đổi tỷ lệ than củ, than cám; có khả năng khấu chọn để giảm độ tro v.v 2.5. Tính an toàn Cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá sản xuất chẳng những loại bỏ lao động thủ công nặng nhọc, mà còn đảm bảo điều kiện vệ sinh công nghiệp tốt và hoàn toàn an toàn cho người trực tiếp làm việc trong mỏ. An toàn lao động khi cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá khai thác than đạt được trước hết là do có thể loại trừ một phần, hoặc toàn bộ sự có mặt của con người ở chỗ trực tiếp sản xuất của các quy trình công nghệ chính và phụ. Mặt khác, cơ khí hoá toàn bộ và tự động hoá sản xuất đảm bảo sự kiểm tra các hoạt động của máy móc và thiết bị một cách rõ ràng và tin cậy, đồng thời đảm bảo giữ đúng chế độ vận hành tối ưu các thiết bị, do đó loại trừ được các sự cố, loại trừ được khả năng mất ổn định và càng tạo điều kiện an toàn hơn cho sản xuất ở mỏ. 2.6. Tính kinh tế Tính kinh tế của dây chuyền công nghệ được đánh giá bằng năng suất lao động của công nhân (trong lò chợ, ở lò chuẩn bị, trong khu khai thác và trong toàn mỏ), giá thành khai thác khoáng sản, vốn đầu tư cơ bản cần thiết và thời hạn thu hồi vốn. Rõ ràng cơ khí hoá và tự động hoá sản xuất sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao vì đảm bảo năng suất lao động cao và hạ giá thành sản phẩm. Chương 3 : những đặc điểm công nghệ của các vỉa than và đá mỏ 3.1. Sự dịch chuyển của địa tầng khi khai thác than Các quá trình khai thác than gây ra sự biến dạng của đá vách. Sự biến dạng có thể biểu hiện ở dạng dịch chuyển của đá mà không bị phá huỷ, cũng có thể ở dạng nứt nẻ và đứt gẫy. Với các kích thước lớn của khoảng trống đã khai thác, quá trình dịch chuyển phát triển tới mặt đất. Ban đầu, các lớp đá nằm ngay trên vỉa than bị phá huỷ, sau đó xảy ra sự đứt gẫy của các lớp đá vách nằm trên theo mức độ phát triển của công tác khấu than. Theo hướng từ khoảng trống đã khai thác lên phía trên, trong địa tầng có thể phân biệt ba vùng, đặc trưng các mức độ phá huỷ của đá mỏ khác nhau: sập đổ, uốn võng cùng với sự rạn nứt và uốn dẻo mà không bị phá huỷ. Trong vùng sập đổ, sự dịch chuyển của các tảng và khối đá rời rạc xảy ra theo từng chu kỳ, cùng với tiến độ của gương lò chợ. Với diện bóc lộ lớn, chiều cao của vùng này đạt 24 lần chiều dày của vỉa. Khi điều khiển đá vách bằng phương pháp chèn lò toàn phần, thì có thể không xuất hiện vùng sập đổ của đá. Đồng thời với quá trình dịch chuyển của đá, ứng suất trong địa tầng bị phân bố lại, xuất hiện vùng ứng suất cao (áp lực tựa) và vùng ứng suất thấp (áp lực suy giảm). Nguyên
11. 9 nhân gia tăng ứng suất là sự treo của các lớp đá bên trên khu khai thác và sự truyền một phần trọng lượng của chúng vào địa khối ngoài khu khai thác. Các lớp đá ở trên và dưới khu khai thác nằm trong vùng áp lực mỏ suy giảm. Theo đặc điểm biến dạng của các lớp đá mỏ và nguyên nhân gây ra dịch chuyển, trong địa tầng khu khai thác có thể phân biệt ba vùng đặc trưng (Hình 1): I - vùng dịch chuyển hoàn toàn (áp lực suy giảm); IIa, IIb - vùng uốn võng lớn nhất; IIIa và IIIb - vùng nén ép của đá (áp lực tựa). A Hình 1: Sơ đồ dịch chuyển của địa tầng khi khai thác vỉa than Vùng I được giới hạn bởi các đường chéo dóng từ biên của khu khai thác với các góc dịch chuyển hoàn toàn 1 và 2. Trong khu vực này có vùng sập đổ của đá vách 4. Trong khối POQ, sau khi kết thúc dịch chuyển các lớp đá nằm ở vị trí song song với trạng thái ban đầu. Vùng áp lực tựa IIIa và IIIb được phân bố từ các đường biên dịch chuyển của địa tầng trên khu khai thác LB và MF tới các tuyến CD và GH, dóng qua đường biên của khu khai thác. Giữa vùng dịch chuyển hoàn toàn và vùng áp lực tựa là vùng uốn võng lớn nhất IIa và IIb. Trong đá trụ của vỉa hình thành vùng áp lực tựa IVa và IVb, vùng áp lực suy giảm VI và các vùng nâng nền không đồng đều Va và Vb. Trong những vùng áp lực tựa đá mỏ bị nén ép (các giản đồ 1), còn ở những vùng áp lực suy giảm chúng bị kéo dãn (các giản đồ 2) về phía khu khai thác. Đường bao ngoài các vùng kể trên tạo thành miền ảnh hưởng của công tác khai thác ALBKFME. 3.2. Các tính chất công nghệ chủ yếu của đá mỏ Sự dịch chuyển của địa tầng khi khai thác than gây ra các quá trình vật lý phức tạp, đặc trưng mối tác động tương hỗ của tập hợp nhiều yếu tố. Những yếu tố đó phụ thuộc đáng kể vào công nghệ thực hiện các công tác mỏ. Với cùng một địa
12. 10 tầng, quá trình dịch chuyển của các lớp đá có thể rất khác nhau khi khai thác vỉa bằng gương lò dài và gương lò ngắn, khi bước khấu rộng và hẹp, với các tiến độ khác nhau của gương, ở những phương pháp điều khiển đá vách khác nhau và v.v Tập hợp các tính chất của đá mỏ, quy định hành vi của nó dưới tác động của các công tác mỏ, được gọi là các tính chất công nghệ. Các tính chất chủ yếu là: độ bền vững, độ phân lớp, độ nứt nẻ và khả năng sập đổ (phá hoả). Sự kết hợp các tính chất công nghệ khác nhau của địa tầng vô cùng đa dạng và nó quyết định sự lựa chọn đúng đắn các quá trình công nghệ khai thác. 3.2.1. Cấu tạo, cấu trúc và sự phân lớp của đá mỏ Cấu tạo của địa tầng được xác định bởi các điều kiện thành tạo khoáng sàng. Các khoáng sàng dạng trầm tích thường có đặc điểm phân lớp của các vỉa sét kết, bột kết, cát kết, đá vôi và v.v Các tính chất của các loại đá này đã được nghiên cứu tỷ mỷ ở dạng các mẫu đá, song các tính chất bền và đàn hồi của địa tầng khác biệt nhiều so với các tính chất của các mẫu đá. Có sự khác biệt này là do cấu trúc và độ nứt nẻ của các lớp đá. Tất cả các loại đá đều có vô số nứt nẻ, tách biệt địa tầng thành các khối cấu trúc. Các tính chất của đá được xác định ở các mẫu, với kích thước nhỏ hơn các khối cấu trúc, không thể đặc trưng cho các tính chất của địa tầng. Chính vì vậy, để nhận biết các tính chất của địa tầng, cần phải lấy thông tin từ một địa khối có chứa một số lượng các khối cấu trúc đủ lớn. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và lựa chọn phương pháp chống lò và điều khiển áp lực mỏ, các lớp đá xung quanh vỉa than được phân biệt theo các dấu hiệu riêng. Căn cứ vào vị trí phân bố so với vỉa than, người ta chia đá vách thành vách giả, vách trực tiếp và vách cơ bản, còn đá trụ - trụ giả, trụ trực tiếp và trụ cơ bản. Vách giả là lớp đá không dày lắm (thường chỉ tới 0,5-0,6 m) nằm ngay trên vỉa than. Lớp này dễ bị sập hoặc bị sập cùng với than khi khấu, hoặc bị sập sau một khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, nhiều vỉa than không có vách giả. Vách trực tiếp là lớp đá tương đối dễ sập nằm ở phía trên vỉa than. áp lực của lớp này tác dụng lên các vì chống ở gương lò và trụ than. Khi không có vách giả, vách trực tiếp nằm sát trên vỉa than. Vách cơ bản là lớp đá bền chắc, khó sập nằm trên vách trực tiếp và không sập đồng thời với lớp này. Có khi vách cơ bản nằm ngay trên vỉa, là một lớp đá cứng và dày. Vách giả thường là diệp thạch than, diệp thạch sét yếu; vách trực tiếp phổ biến là diệp thạch sét-cát và diệp thạch sét; còn vách cơ bản thường là đá vôi và cát kết, đôi khi là diệp thạch sét vững chắc. Trụ giả là lớp đá mỏng, rất dễ bị phá huỷ trong quá trình khấu than. Trụ trực tiếp là lớp đá nằm ngay dưới vỉa than khi không có trụ giả. Các hiện tượng bùng nền, hiện tượng trượt và sập ở các vỉa dốc đứng có quan hệ chặt chẽ với tính chất của trụ trực tiếp. Trụ cơ bản là một lớp đá vững chắc nằm dưới trụ trực tiếp.
13. 11 Độ ổn định và khả năng sập đổ của đá ở lò chợ phụ thuộc nhiều vào cách thức tách lớp của chúng, trong đó chiều dày của chúng có vai trò rất lớn. Khi mối gắn kết giữa các lớp càng yếu và các lớp càng mỏng, thì chúng càng dễ sập đổ ở những khối tương đối nhỏ. Khi các lớp đá càng dày, thì chúng càng khó uốn võng và sẽ sập đổ với những khối càng lớn. Các loại đá trầm tích đều có tính phân lớp, đó là sự lắng đọng không đồng chất. Nguyên nhân của sự phân lớp là sự đan xen của các lớp đá yếu và các lớp đá bền vững, trong đó sự tách lớp xảy ra theo các lớp đá yếu, cho dù chúng rất mỏng. Tính phân lớp biểu hiện rõ nét nhất khi trong địa khối có các lớp đá chất sét, than, sliuđit hoặc chứa các tàn dư thực vật. Giữa các lớp đá có thể có những bề mặt liên kết rất yếu, chúng có thể đi qua ranh giới của vỉa, cũng có thể xen vào giữa các lớp đá đồng chất. Đó chính là nguyên nhân của sự phân vỉa. Chiều dày của một phân vỉa càng lớn, thì tính ổn định của nó càng cao. Do mỗi phân vỉa không có sự gắn kết với các lớp đá nằm trên, cho nên toàn bộ trọng lượng của nó được truyền xuống các lớp đá nằm dưới. Phân loại đá mỏ theo tính phân lớp: Độ dày của lớp, m Phân lớp rất mỏng . . . . . . . . . . . 10 3.2.2. Độ nứt nẻ của đá Độ ổn định của đá mỏ xung quanh hầm lò phụ thuộc nhiều vào độ nứt nẻ của chúng. Trong các vỉa đá vôi, khoảng cách giữa các vết nứt lớn hơn chiều dày vỉa từ 210 lần. Trong các vỉa cát kết hạt mịn, 78 % có khoảng cách giữa các vết nứt vượt chiều dày vỉa 13 lần, 20 % - từ 310 lần. Trong các vỉa cát kết hạt thô có tới 92 % trường hợp có khoảng cách giữa các vết nứt lớn hơn chiều dày từ 13 lần. Trong các lớp diệp thạch cát, khoảng cách giữa các vết nứt gần bằng chiều dày lớp. Các loại đá chất sét thường có độ nứt nẻ cao, khi khoảng cách giữa các vết nứt thường nhỏ hơn chiều dày vỉa. Các vết nứt được nhận biết qua chiều dài và chiều rộng của chúng. Khi chiều rộng của vết nứt nhỏ hơn 0,05 mm, chúng có cỡ sợi tóc; khi chiều rộng từ 0,05 đến 2 mm - rất mảnh; từ 2 đến 10 mm - cỡ milimét; từ 10 đến 100 mm - cỡ centimét; từ 100 đến 1000 mm - cỡ decimét. Tất nhiên, tính ổn định của đá phụ thuộc vào mật độ các vết nứt, được xác định bởi số vết nứt trên 1 m2 diện tích địa khối. Phụ thuộc vào độ nứt nẻ, các loại đá được phân biệt như sau: - không nứt nẻ ; - ít nứt nẻ - có một hệ nứt với khoảng cách giữa chúng lớn hơn 1 m ; - nứt nẻ trung bình - có hai hệ nứt cắt chéo nhau với khoảng cách giữa chúng lớn hơn 1 m ;
14. 12 - nứt nẻ mạnh - có vài hệ nứt cắt chéo nhau với tần suất phân bố trung bình tới 0,5 m ; - nứt nẻ rất mạnh - có nhiều hệ nứt phân bố cách nhau qua khoảng cách nhỏ hơn 0,2 m. Độ ổn định của đá vách trên lò chợ phụ thuộc rất nhiều vào góc tạo bởi giữa gương lò và hướng các thớ nứt chính của nó, góc này quyết định phương thức dịch chuyển của đá vách. 3.2.3. Độ ổn định của đá khi bị bóc lộ Tính bền của đá khi bị bóc lộ bởi các công tác mỏ được gọi là độ ổn định của nó. Trạng thái của phần đá vách bị bóc lộ và không được chống giữ được coi là ổn định, nếu qua một khoảng thời gian của nhu cầu sản xuất nó không bị sập đổ hoặc trôi trượt, còn sự dịch chuyển của nó không vượt quá giới hạn cho phép. Độ ổn định của đá được xác định bởi khả năng không bị phá huỷ dưới tác động của tự trọng và của nội ứng suất khi bị bóc lộ. Cần phân biệt tính ổn định của đá khi bóc lộ trong thời gian ngắn và ổn định trong thời gian dài. Độ ổn định của đá vách ảnh hưởng lớn đến hiệu quả khai thác vỉa than, đến việc lựa chọn loại và kết cấu vì chống lò chợ và phương pháp điều khiển đá vách. Phân loại đá vách theo độ ổn định Loại đá vách Đặc điểm ổn định - Không ổn định Khi không chống giữ, sập đổ ngay sau tiến độ của gương - Kém ổn định Khi dải bóc lộ ở gương rộng tới 1 m, ổn định trong 2-3 h - ổn định trung bình Khi dải bóc lộ ở gương rộng tới 2 m, ổn định tới 1 ngày-đêm - ổn định Khi dải bóc lộ rộng tới 2 m, ổn định tới 2 ng-đêm - Rất ổn định Khi dải bóc lộ rộng 5-6 m, ổn định lâu dài 3.2.4. Khả năng sập đổ của đá vách Các loại đá vách khác nhau có khả năng sập đổ khác nhau. Khi điều khiển đá vách bằng phương pháp phá hoả toàn phần, cần phân biệt phá hoả ban đầu, phá hoả đợt một và phá hoả đợt hai. Phá hoả ban đầu được tiến hành khi gương lò chợ dịch chuyển qua một khoảng nhất định kể từ lò cắt, gọi là bước phá hoả ban đầu. Thông thường, bước phá hoả ban đầu là 8-12 m, nhưng với các loại đá vách bền vững, bước này có thể tới 50-60 m. Để phá hoả đá vách bền vững, phải sử dụng phương pháp khoan nổ mìn. Sau phá hoả ban đầu sẽ thực hiện phá hoả thường kỳ đá vách trực tiếp, liền sau các tiến độ của gương lò chợ, đó là phá hoả đợt một. Đá vách cơ bản thường treo ở dạng các tấm côngsơn. Theo mức độ dịch chuyển của gương lò chợ, kích thước của tấm côngsơn sẽ lớn dần và tới một thời điểm nào đó nó sẽ sập đổ. Sự sập đổ của vách cơ bản được gọi là phá hoả đợt hai.
15. 13 Nếu như đá vách trực tiếp sau khi sập đổ lấp đầy toàn bộ khoảng trống đã khai thác, thì sập đổ đợt hai có thể không xảy ra. Còn nếu khoảng trống đã khai thác không được lấp đầy, thì cường độ sập đổ của vách cơ bản sẽ càng nhỏ, khi tỷ số giữa chiều dày vách trực tiếp và chiều dày vỉa than càng lớn. Theo khả năng tự sập đổ của các lớp đá vách người ta còn phân biệt chúng dựa vào bước phá hoả (lph), khi đó chúng được chia thành năm nhóm: Loại đá vách Bước phá hoả ( lph) rất dễ phá hoả . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 m Trình tự và đặc điểm phát triển của quá trình phá huỷ của đá vách được quyết định bởi các đặc tính cấu trúc và các tính chất cơ học của đá. Trên cơ sở khả năng sập đổ của đá, viện nghiên cứu VUGI (Liên Xô cũ) đã đề xuất bảng phân loại dưới đây. Phân loại đá vách theo khả năng sập đổ Loại đá Đặc điểm đá vách I Vách trực tiếp là một hay nhiều lớp đá dễ sập đổ, có chiều dày không nhỏ hơn 6-8 lần chiều dày của vỉa than được khai thác II Vách trực tiếp là lớp đá dễ sập đổ, có chiều dày nhỏ hơn 6-8 lần chiều dày vỉa. Vách cơ bản là loại đá khó sập đổ, chỉ sập đổ trên diện lớn III Vách trực tiếp là lớp đá dày, khó sập đổ. Trong một số trường hợp không có vách trực tiếp và trên vỉa than là vách cơ bản, có khả năng bóc lộ trên diện lớn IV Vách trực tiếp là loại đá có khả năng hạ võng từ từ mà không bị rạn nứt và đứt gẫy (khi chiều dày vỉa không quá 0,8-1,0 m) Từ bảng phân loại thấy rằng, khi vách trực tiếp là loại đá dễ sập đổ, dày hơn 6-8 lần chiều dày vỉa (đá loại I), tải trọng tác động lên vì chống chỉ do lớp đá này gây ra. Trong khi đó vách cơ bản bị chèn toàn bộ bởi đá vách trực tiếp đã phá hoả, sẽ hạ võng dần dần và không gây tải trọng lên vì chống. Nếu không có điều kiện trên, vách cơ bản sẽ sập đổ và không phải lúc nào vì chống cũng chịu được những tải trọng sinh ra bởi cả vách trực tiếp và vách cơ bản. Khi xét tới bước phá hoả của đá mỏ và vùng áp lực tựa ở trước gương lò chợ, viện VNIMI đã có những bổ xung cho bảng phân loại đá vách của VUGI. Phân loại đá vách theo VUGI - VNIMI Loại đá Đặc điểm đá vách I Vách trực tiếp và vách cơ bản là các lớp đá dễ phá hoả. Vách trực tiếp phá hoả theo chu kỳ lò chợ, còn vách cơ bản treo trên khoảng trống đã khai thác ở những khẩu độ không lớn, trong phạm vi một bước sập của vách trực tiếp. Vùng áp lực tựa trong vỉa than phân bố ở khoảng cách không lớn trong khối nguyên, kể từ biên của khoảng trống đã khai thác
16. 14 II Vách trực tiếp là đá dễ phá hoả, dày 3-10 m; còn vách cơ bản là lớp đá dày, khó phá hoả. Vách cơ bản có thể treo trên khoảng trông đã khai thác với khẩu độ không lớn (tới 3-4 bước phá hoả của vách trực tiếp). Vùng áp lực tựa phân bố ở khoảng cách đáng kể phía trước lò chợ III Vách trực tiếp là lớp đá bền vững, khó phá hoả, dày 3-5 m. Trên nó là các loại đá dễ phá hoả, không có khả năng treo tự do. Khả năng treo trên khoảng trống đã khai thác của loại đá này phụ thuộc vào chiều dày và độ bền vững của vách trực tiếp. Bước phá hoả của vách cơ bản tuỳ thuộc vào kích thước các khối gẫy của vách trực tiếp. Khi chiều dày vỉa không quá 1 m, có khả năng đá vách hạ từ từ IV Các vách trực tiếp và cơ bản đều là những loại đá bền vững, khó phá hoả. Chúng có xu hướng treo trên khoảng trống đã khai thác với khẩu độ lớn (tới 50 m hoặc hơn) và tạo ra áp lực tựa khá lớn ở trước gương lò chợ Khi khai thác các vỉa dốc đứng, bên cạnh sự sập đổ của đá vách còn có thể có sự trôi trượt của đá trụ. Quan tâm đến khả năng này, viện ĐônUGI (Ukraina) đề xuất bảng phân loại đá dưới đây. Phân loại đá cho các vỉa dốc đứng Loại đá Đặc điểm đá vách Đặc điểm đá trụ I Vách trực tiếp là đá rất yếu hoặc vách giả Trụ yếu có khả năng trượt, trụ giả II Vách trực tiếp là đá dễ phá hoả, có chiều Trụ trực tiếp có độ bền từ trung dày không nhỏ hơn 6-8 lần chiều dày vỉa bình trở lên, không trượt III Vách trực tiếp có độ bền trung bình, phá Trụ trực tiếp có độ bền trung hoả ở chiều cao nhỏ hơn 6-8 lần chiều dày bình, không trượt vỉa. Vách cơ bản là đá khó phá hoả, có khả năng bóc lộ trên diện lớn IV Vách trực tiếp là đá khó phá hoả, có khả Trụ trực tiếp có độ bền trung năng bóc lộ trên diện lớn bình hay bền vững, không trượt V Vỉa dày dưới 0,7 m, vách trực tiếp có khả Trụ không trượt, có khả năng năng hạ từ từ trương bùng VI Vách trực tiếp là đá khó phá hoả Trụ là đá yếu, dễ trôi trượt Kinh nghiệm khai thác mỏ cho thấy vách cơ bản gây ảnh hưởng lớn đến các hoạt động trong lò chợ và các lò chuẩn bị. Vách cơ bản được chia làm hai nhóm: dễ điều khiển và khó điều khiển. Đá vách dễ điều khiển là loại đá không gây ra phá hoả đợt hai. Khi đó, giữa vỉa than và vách cơ bản có lớp đá vách trực tiếp dễ phá hoả với chiều dày lớn hơn 3- 4 lần chiều dày vỉa, mà khi sập đổ tạo ra khả năng hạ võng của vách cơ bản. Đá vách khó điều khiển là loại đá có bước phá hoả đợt một và đợt hai lớn hơn 30 m, khi vách trực tiếp là đá dễ phá hoả với chiều dày nhỏ hơn 4 lần chiều dày vỉa than. Đá vách khó điều khiển thường là các loại đá đồng chất có giới hạn bền khi chịu nén một trục lớn hơn 70 MPa: cát kết, đá vôi, diệp thạch cát. 3.3. Những đặc điểm công nghệ của các vỉa than 3.3.1. Phân loại các vỉa than theo đặc điểm công nghệ Để dễ dàng lựa chọn các sơ đồ công nghệ khai thác than hợp lý, các vỉa than được phân loại theo hai dấu hiệu chính, đó là chiều dày và góc dốc của chúng.
17. 15 Theo chiều dày, các vỉa than được chia thành bốn nhóm: - rất mỏng - có chiều dày không quá 0,7 m; - mỏng - có chiều dày từ 0,71 đến 1,2 m; - dày trung bình - có chiều dày từ 1,21 đến 3,5 m; - dày - có chiều dày lớn hơn 3,5 m. Với mục đích chế tạo và lựa chọn phương tiện cơ khí hoá cho lò chợ, người ta còn đề nghị chia các vỉa than theo chiều dày của chúng thành bẩy nhóm: nhóm một - các vỉa dày không quá 0,6 m, mà cho đến nay vẫn chưa có tổ hợp thiết bị cơ khí hoá toàn bộ phù hợp (ngoại trừ công nghệ khoan lấy than ở các vỉa dốc thoải); nhóm hai - các vỉa dày từ 0,60,9 m, đã được chế tạo các tổ hợp cơ khí hoá, nhưng năng suất của chúng bị hạn chế bởi sự chật hẹp của không gian lò chợ. Khi đó, với chiều cao hạn chế của lò chợ, khoảng cách giữa xà của vì chống và thân máy khai thác hay máng cào không đáng kể. Vì vậy, máy liên hợp buộc phải bố trí bên ngoài khung máng cào, làm thay đổi bố cục của cả tổ hợp, giảm hiệu quả hoạt động của nó; nhóm ba - các vỉa dày từ 0,91,3 m, có thể bố trí máy liên hợp trên máng cào, nhưng dưới thân máy phải có khoảng hở cần thiết cho dòng tải than của máng cào; nhóm bốn - các vỉa dày từ 1,32,0 m, có thể bố trí dễ dàng máy liên hợp trên máng cào. Đây chính là điều kiện thuân lợi nhất để tạo ra các tổ hợp thiết bị với năng suất cao; nhóm năm - các vỉa dày từ 2,03,5 m, có điều kiện khai thác thuận lợi. Nhưng do sự phát triển mạnh của hiện tượng ép trồi, cần phải bổ sung bộ phận chống lở gương vào kết cấu của vì chống; nhóm sáu - các vỉa dày từ 3,55,0 m, có thể khai thác bằng phương pháp chia lớp. Song, ở các vỉa dốc thoải có thể khai thác chỉ một lớp bằng tổ hợp thiết bị cơ khí hoá, phá hoả đá vách hoặc tháo tận thu lớp than đệm dưới vách; ở các vỉa dốc đứng để khấu các lớp cần chế tạo các tổ hợp thiết bị áp dụng chèn lò toàn phần; nhóm bẩy - các vỉa dày hơn 5 m, khai thác theo phương pháp chia lớp, sử dụng các tổ hợp thiết bị của vỉa dày trung bình. Đặc điểm xuất hiện các lực hấp dẫn và phương pháp vận tải than trong lò chợ phụ thuộc vào góc dốc của vỉa. Vì vậy, khi lựa chọn máy khai thác, vì chống và phương pháp vận tải than cần phải xét tới các góc dốc tới hạn của vỉa trong điều kiện trượt than và các bộ phận kim loại của thiết bị, được đưa ra dưới đây. Các góc dốc tới hạn của vỉa: Hệ số ma sát Góc tới hạn, độ Than đá trượt trên đá trụ . . . . . . 0,7 - 0,8 35 - 38 Than đá trên thép lá . . . . . . . . 0,3 - 0,5 17 - 25 Antrxit trên thép lá . . . . . . . . 0,27 - 0,3 15 - 17 Antrxit trên thép lá tráng men . . . . 0,19 - 0,23 11 - 13 Kim loại trên kim loại . . . . . . . 0,19 - 0,23 13 - 17 Kim loại trên đá trụ . . . . . . . . 0,3 - 0,4 17 - 20
18. 16 Theo góc dốc, các vỉa than được chia thành bốn nhóm: - dốc thoải - có góc dốc từ 0 đến 18o; - dốc nghiêng - có góc dốc từ 19 đến 35o; - dốc nghiêng-đứng - có góc dốc từ 36 đến 55o; - dốc đứng - có góc dốc từ 56 đến 90o. Điều kiện thuận lợi nhất để sử dụng các tổ hợp thiết bị cơ khí hoá là các vỉa có góc dốc từ 0 đến 12o, khi các lực hấp dẫn không ảnh hưởng đến việc lựa chọn kết cấu của thiết bị và có thể khai thác vỉa theo phương, ngược chiều dốc hoặc xuôi chiều dốc. ở các vỉa có góc dốc từ 13 đến 18o quá trình khai thác thường được tiến hành theo phương. Vận tải than ở các vỉa dốc từ 19 đến 35o có thể nhờ máng trượt hoặc khung máng cào (không cần xích kéo và bộ truyền động), còn nếu dùng máng cào thì nó sẽ làm việc ở chế độ hãm. Với độ dốc này, tổ hợp thiết bị lò chợ không cần phải có các mối liên kết đặc biệt giữa các đoạn vì chống và cũng không cần có tời bảo hiểm để giữ máy liên hợp. Khi khai thác các vỉa dốc từ 46 đến 90o sẽ gặp nhiều khó khăn do khả năng trôi trượt của đá trụ và sự ảnh hưởng mạnh của các lực hấp dẫn. 3.3.2. Các tính chất của than Việc lựa chọn phương pháp và phương tiện tách phá than quyết định công nghệ khấu trong lò chợ. Các tính chất của than đóng vai trò quan trọng khi lựa chọn phương tiện phá than. Các tính chất của than được đánh giá tương đối so với quá trình tách phá nó cụ thể. Khi phá than bằng phương pháp cơ khí, điều quan trọng là phải biết được mối quan hệ giữa các tính chất cơ học của than và các đặc điểm của quá trình tách phá. Khả năng của than chống lại các dạng tác động cơ học khác nhau được gọi là sức kháng phá vỡ của nó. Sức kháng phá vỡ của than phụ thuộc vào các yếu tố tự nhiên và kỹ thuật mỏ. Các yếu tố tự nhiên bao gồm: mức độ biến chất, độ nứt nẻ của than, cấu tạo của vỉa, độ dày của nó và v.v Các yếu tố kỹ thuật mỏ bao gồm: chiều rộng lò chợ, loại, mật độ và độ linh hoạt của vì chống, phương pháp điều khiển đá vách, tốc độ dịch chuyển của gương, phương pháp khấu than, hướng khấu và v.v ở đây, chúng ta dừng lại ở các yếu tố tự nhiên. Các yếu tố kỹ thuật mỏ sẽ được xem xét trong mục tiếp dưới. Mức độ biến chất quyết định chất lượng của than và các tính chất cơ học của nó. Các loại than có sức kháng phá vỡ lớn nhất là than ở thời kỳ biến chất sớm (có độ dẻo cao) và antraxit biến chất cao (có độ kiên cố lớn). Độ nứt nẻ có ảnh hưởng đáng kể tới sức kháng phá vỡ của than, độ nứt nẻ càng lớn thì sức kháng phá vỡ càng nhỏ. Việc chọn hướng cho dụng cụ phá than tương đối với hướng thớ nứt rất quan trọng. Thực tế cho thấy rằng, hiệu quả phá than cao nhất đạt được khi nó bị cắt theo góc 45o so với hướng các thớ nứt chính.
19. 17 Cấu tạo của vỉa than cũng ảnh hưởng tới sức kháng phá vỡ của nó. Vỉa than có cấu tạo càng phức tạp, có càng nhiều lớp đá kẹp rắn chắc, xen kẽ giữa các lớp than, thì sức kháng phá vỡ của nó càng lớn. 3.3.3. Sự ép trồi và độ kháng cắt của than ứng suất bình thường trong vỉa than trước khi đào hầm lò bằng áp lực tác động lên nó của các lớp đá nằm trên. Quá trình phân bố lại ứng suất xảy ra do đào hầm lò. Sự thay đổi trạng thái ứng suất trong vùng bóc lộ, thường xuyên hơn là sự xuất hiện của các lực đẩy ngang, có thể dẫn tới sự dịch chuyển của vỉa về phía khoảng trống khai thác. Đó là nguyên nhân sinh ra hiện tượng ép trồi ở gương lò chợ. Nếu các biến dạng kéo đạt tới trị số giới hạn, thì các vết nứt ép trồi sẽ phát triển, hướng thẳng góc với mặt phân vỉa và song song với mặt bóc lộ. Khi đó, than bị phá thành các tảng dạng cột nhỏ. Trong phần còn lại của vùng ép trồi các biến dạng kéo chưa đạt tới trị số giới hạn và than chưa bị phá huỷ rõ ràng. Giả sử ép trồi luôn dẫn tới phá huỷ, thì bộ phận công tác của máy khấu chỉ còn phải thực hiện việc xúc bốc và đập vụn các tảng than đã bị phá huỷ. Song, trong phần lớn các trường hợp biến dạng của than ở gương lò không đạt tới giới hạn phá huỷ, mà chỉ làm suy yếu khối than ở mức độ nào đó, tức là làm giảm độ kháng cắt của than. Hiện nay, để đánh giá khả năng phá huỷ của than cần phải xác định các chỉ tiêu sau: độ kháng cắt của than, kể cả độ kháng cắt của các phân lớp than và đá kẹp; độ mài mòn của vỉa than; các tính chất dòn-dẻo của than; khả năng vỡ vụn của than. Độ kháng cắt của than là khả năng chống lại các tác động khi bị cắt của nó. Độ kháng cắt của than thay đổi trong khoảng 0,36,0 kN/cm, độ mài mòn dao động trong khoảng 101500 mg/km, còn chỉ tiêu khả năng vỡ vụn của nó - từ 0,4 đến 1,2. Việc điều khiển quá trình ép trồi than có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông số kỹ thuật của lò chợ. Trong đó quan trọng nhất là: chiều rộng của lò chợ, chiều rộng khấu của máy khai thác, phương pháp điều khiển đá vách, độ linh hoạt của vì chống và v.v Khi tăng chiều rộng lò chợ sẽ dẫn đến sự gia tăng mức hạ võng của đá vách và độ biến dạng của khối than ở gương lò, do đó sẽ làm giảm độ kháng cắt của than. Thực tế cho thấy rằng, nếu giảm chiều rộng lò chợ 1-1,2 m, thì độ kháng cắt của than tăng lên 15-20 %. Như vậy, muốn lợi dụng triệt để hiện tượng ép trồi cần phải tăng chiều rộng lò chợ. Tuy vậy, do nhiều lý do khác, hiện nay đang có xu hướng làm giảm chiều rộng lò chợ, mặc dù biết rằng độ kháng cắt của than gia tăng. Việc giảm chiều rộng khấu của máy khai thác làm giảm giá trị hạ võng của đá vách và ép trồi của than. Phương pháp điều khiển đá vách thường được lựa chọn dựa vào khả năng phá hoả của nó. Khi vách là đá yếu hoặc có độ ổn định trung bình, trong quá trình phá hoả hiện tượng ép trồi được ghi nhận yếu hơn, so với khi vách là các loại đá bền vững. Đá vách bền vững thường treo và không sập đổ ở diện bóc lộ lớn, độ võng của nó đạt giá trị cao và gây ra sự ép trồi mãnh liệt của than. Trong điều kiện như vậy, sự ép trồi thay đổi theo tiến độ dịch chuyển của lò chợ và theo sự thay đổi chiều dài côngxơn của đá vách trong phạm vi một bước phá hoả.
20. 18 Một số tác giả cho rằng, trong cùng một lò chợ khi chuyển từ phương pháp chèn lò từng phần sang phương pháp chèn toàn phần, thì hệ số ép trồi trung bình giảm 20 %. Độ linh hoạt của vì chống ảnh hưởng đến sự hạ võng của vách và mức độ ép trồi của than. Nếu độ linh hoạt của vì chống gia tăng, thì sự ép trồi cũng tăng theo. Khi lắp dựng vì chống lò chợ, tải trọng ban đầu của chúng cũng ảnh hưởng lớn đến độ kháng cắt của than. Việc sử dụng các cột thuỷ lực với tải trọng ban đầu lớn hơn so với cột gỗ và cột ma sát dẫn tới việc giảm giá trị ép trồi xuống 10-15 %. Khi sử dụng vì chống cơ khí hoá thì khoảng chênh lệch này là 30 %, so với việc dùng vì chống đơn. Các quá trình sản xuất trong lò chợ tác động đến hình thức và trị số hạ võng của vách và đồng thời ảnh hưởng đến sự ép trồi của than. Người ta đã chứng minh được rằng, 15-45% độ hạ võng chung của vách xảy ra trong quá trình khấu than, 8-30 % - trong quá trình phá hoả đá vách và 30-35 % - khi không thực hiện các quá trình sản xuất. Trong trường hợp cuối, yếu tố thời gian chiếm vai trò quan trọng. Độ dài của khoảng thời gian gián đoạn giữa hai dải khấu cần phải lớn hơn khoảng thời gian đủ để xuất hiện ép trồi. Có thể thấy rõ ảnh hưởng của yếu tố thời gian tới hiện tượng ép trồi khi khấu than bằng máy bào. Lúc đó, với tốc độ dịch chuyển của gương lò cao, đôi khi lưỡi bào rơi vào vùng than không bị ép trồi. Cường độ suy giảm độ kháng cắt của than ở phần gương lò lớn hơn so với vùng nằm sâu trong khối nguyên; ở vùng sâu trong khối nguyên thời gian suy giảm độ kháng cắt đạt tới 6-8 h, còn ở vùng gương lò - 2,5-3,5 h. Cần lưu ý rằng, khi giảm độ kháng cắt của than, sự ép trồi thường gây ảnh hưởng xấu tới độ ổn định của đá vách và gương lò. Tương ứng với giá trị ép trồi lớn, diện bóc lộ của đá vách cần phải lớn, như vậy khả năng sập đổ của vách sẽ gia tăng và phá vỡ tính ổn định của nó. Tóm lại, sự thay đổi các yếu tố kỹ thuật mỏ cho ta khả năng điều chỉnh độ ép trồi của than và tạo ra các tiền đề để các tổ hợp thiết bị lò chợ hoạt động trong chế độ tự động hoá. phần thứ hai các quá trình khai thác than Chương 4 : khấu than 4. 1. Phân loại các phương pháp khấu than Công tác khấu than có thể được thực hiện bằng các phương pháp thủ công, khoan nổ mìn, cơ khí, thuỷ lực, cơ-thuỷ lực Việc lựa chọn phương pháp khấu trước hết phụ thuộc vào các tính chất của than và các lớp đá vây quanh, đồng thời phụ thuộc vào các yêu cầu về chất lượng than và chi phí để khai thác nó. Độ ổn định của đá vách và trụ có ảnh hưởng lớn tới việc lựa chọn phương pháp khấu than. Nếu những cố gắng nâng cao năng lực của máy khai thác không đủ để tách phá than, thì cần phải làm tơi sơ bộ vỉa than bằng phương pháp khoan nổ mìn.
21. 19 Quá trình khấu than không chỉ bao gồm việc phá vỡ than, mà còn cả xúc bốc than. Những quá trình này có thể được thực hiện bởi một hay nhiều loại máy khác nhau, đồng thời hay nối tiếp phụ thuộc vào các điều kiện địa chất mỏ và công nghệ khai thác. ở các vỉa dốc đứng không cần phải xúc bốc than và quá trình khấu chỉ còn là phá vỡ than. Cũng có thể nói như vậy về phương pháp khai thác than bằng sức nước. Việc khấu than bằng phương pháp cơ khí được áp dụng phổ biến nhất. Nó được thực hiện trong các gương lò chợ dài hoặc trong các gương lò ngắn (buồng, buồng-cột ). Tất nhiên, phổ biến hơn cả là các gương lò dài. Phụ thuộc vào phương pháp khấu, các gương lò chợ có thể có dạng thẳng hay dạng bậc. Cần phân biệt khấu rộng và khấu hẹp. Khi việc tách phá than ở gương được tiến hành theo các dải rộng hơn 1 m, thì được gọi là khấu rộng. Nếu chiều rộng dải khấu không vượt quá 1 m, thì đó là khấu hẹp. Việc tách phá than trong lò chợ có thể thực hiện đồng thời trên cả chiều dài gương lò, cũng có thể tại một điểm di chuyển liên tục dọc theo gương lò. Sơ đồ khấu than với bộ phận công tác hoạt động trên toàn bộ mặt gương và hướng khấu trùng với hướng dịch chuyển của gương được gọi là khấu trực diện. Sơ đồ này cho phép thực hiện hình thức tổ chức các công tác một cách liên tục, với số công đoạn tối thiểu và mức độ cơ khí hoá cao. Sơ đồ khấu than bằng máy khai thác di chuyển dọc gương lò, thẳng góc với hướng dịch chuyển của nó, được gọi là khấu từ sườn. Đặc điểm của nó là ít công đoạn, cho phép hoà đồng các quá trình chính trong lò chợ, tạo khả năng áp dụng các vì chống tự hành cơ khí hoá với năng suất cao. Khác với sơ đồ khấu trực diện, ở đây không thể tổ chức các công tác theo cách liên tục. Ngoài ra, còn có sơ đồ khấu than hỗn hợp, trong đó công đoạn tự tạo rạch được tiến hành theo hướng dịch chuyển của gương, còn việc trực tiếp khấu than lại theo hướng thẳng góc với nó. 4.2. Khấu than bằng phương pháp khoan nổ mìn Công nghệ khấu than bằng khoan nổ mìn có thể được áp dụng ở nhiều hệ thống khai thác khác nhau, cho nên nó có nhiều hình thức và thứ tự thao tác các công việc khác nhau. Ưu điểm cơ bản của công nghệ khoan nổ mìn là giảm được sức lao động của công nhân trong quá trình tách phá than, mặt khác nó còn có tính linh hoạt cao, nhất là khi điều kiện dạng nằm của vỉa than phức tạp. Nhược điểm của công nghệ này là không có tính liên tục của các công tác lò chợ, ngoại trừ khâu tách phá than các khâu công tác khác đòi hỏi chi phí nhiều sức lao động của công nhân. Ngoài ra, bụi và các sản phẩm nổ sinh ra trong lúc nổ mìn làm ảnh hưởng xấu tới điều kiện vi khí hậu trong hầm lò. Chính vì những nhược điểm trên, công nghệ khoan nổ mìn ngày càng ít được sử dụng ở các gương lò chợ. Phạm vi áp dụng của nó chỉ còn giới hạn trong các điều kiện địa chất phức tạp, khi không thể áp dụng các dạng công nghệ khác hoàn thiện hơn.
22. 20 ở nước ta hiện nay, một mặt vì điều kiện địa chất khá phức tạp, mặt khác do mức độ trang bị kỹ thuật còn bị hạn chế, công nghệ khoan nổ mìn vẫn đang được áp dụng rộng rãi trong các mỏ than hầm lò. Quá trình khoan nổ mìn trong lò chợ bao gồm các công tác: khoan các lỗ mìn, nạp mìn và nổ mìn. Cũng cần phân biệt hai phương pháp nổ mìn trong lò chợ: nổ các lỗ mìn nhỏ và nổ các lỗ mìn lớn, trong đó phương pháp đầu được áp dụng phổ biến hơn cả. Việc khoan các lỗ mìn nhỏ ở gương lò chợ thường được thực hiện nhờ máy khoan điện cầm tay, làm việc theo nguyên lý khoan xoay. Khi khoan xoay, cạnh cắt của mũi khoan cắt hoặc hớt một lớp than mỏng. Choòng khoan được ép vào vào đáy lỗ khoan đồng thời với khi xoay. Phoi được đưa ra khỏi lỗ khoan theo các rãnh xoắn của choòng ruột gà. Để tăng hiệu quả nổ mìn, lỗ mìn thường được khoan nghiêng theo một góc 60-80o so với mặt gương. Nhằm phá vỡ than ở gương với độ cục đồng đều, các lỗ mìn thường được bố trí cách đều nhau trên mặt gương thành từng hàng. Số hàng lỗ mìn cũng như khoảng cách giữa các lỗ mìn trong một hàng, được lựa chọn dựa vào độ kiên cố của than, chiều dày của vỉa than hay lớp khấu, tiến độ một lần khấu và nhiều yếu tố khác. Khi vỉa than mỏng có chiều dày là 0,50,8 m, thì có thể chỉ cần bố trí một hàng lỗ mìn (hình 2, a); khi chiều dày vỉa là 0,82,0 m, thường khoan hai hàng lỗ mìn (hình 2, b); còn khi chiều dày vỉa là 2,03,5 m, có thể có ba hàng lỗ mìn (hình 2, c). a a-a a) a b-b b b) b c-c c) c c Hình 2: Sơ đồ bố trí lỗ mìn trên gương lò chợ
23. 21 Để tránh hiện tượng kích nổ, khoảng cách giữa các lỗ mìn ở gương than không được nhỏ hơn 0,6 m. Khi gương lò có nhiều hàng lỗ mìn, người ta thường bố trí các hàng lỗ mìn so le nhau. Như vậy, các lỗ mìn sẽ nằm cách nhau đều hơn, dẫn đến hiệu suất đập vụn than cao hơn. Trong các bản thiết kế công nghệ lò chợ, các thông số của công tác khoan nổ mìn được tập hợp thành hộ chiếu khoan nổ mìn. Hộ chiếu khoan nổ mìn là tài liệu kỹ thuật bao gồm: giải trình tính toán các thông số khoan nổ mìn, sơ đồ bố trí các lỗ mìn thể hiện trên ba mặt cắt và bảng lý lịch các lỗ mìn có kèm theo trình tự nổ các lỗ mìn. Tuỳ theo phương pháp nạp khối thuốc nổ trong lỗ khoan, có hai cách nạp mìn phổ biến: nạp theo hình cột tập trung và theo hình cột phân đoạn (hình 3). a) Hình 3: Cách nạp thuốc nổ a- hình cột tập trung; b- hình cột phân đoạn; b) 1 2 1 2 1 - nút lỗ khoan (bua); 2 - các thỏi thuốc nổ. Nạp thuốc nổ theo hình cột tập trung là cách nạp mìn đơn giản nhất và thường được sử dụng. Trong lỗ khoan các thỏi thuốc được nạp liền nhau. Thỏi thuốc mồi được đặt sau cùng, gần miệng lỗ khoan nhất, nó được gắn kíp nổ và được nổ đầu tiên, nhờ tác động của sóng nổ các thỏi thuốc còn lại trong lỗ khoan sẽ nổ. Nạp thuốc theo hình cột phân đoạn là nạp các thỏi thuốc thành từng nhóm trong lỗ khoan, mỗi nhóm có một thỏi thuốc mồi, các nhóm cách nhau bằng một đoạn vật liệu nút hoặc không khí. Nạp thuốc theo kiểu này giảm bớt được chi phí về thuốc nổ. Tuy nhiên, do cách nạp phức tạp nên phương pháp này không được áp dụng rộng rãi. Khối lượng thuốc nổ cần nạp vào các lỗ khoan được xác định theo tính chất của than hoặc đá, sức công phá của thuốc nổ, cấu tạo và trình tự nổ các khối thuốc và số mặt tự do của khối than cần nổ. Đầu tiên cần xác định suất nạp thuốc (q), tức là lượng thuốc nổ cần thiết để phá vỡ 1 m3 than hay đá được khoan trong khối nguyên. Suất nạp thuốc có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm: 3 q = q1Fve , kg/m , 3 trong đó q1 - suất nạp thuốc của thuốc nổ quy ước, kg/m , được chọn phụ thuộc vào hệ số kiên cố f (theo Prôtôđiacônốp) của than hay đá cần phá: f : <2 2-3 4-6 6-8 8-15 15-20 q1 : 0,15 0,2-0,3 0,4-0,6 0,6-0,8 1,0-1,1 1,2-1,5 F - hệ số đặc trưng cấu tạo của than hay đá, được lấy trong khoảng 0,82,0 tuỳ theo cấu tạo của chúng; v - hệ số ép của than hay đá khi bị tách khỏi khối với một mặt tự do:
24. 22 12,5 v = S S - diện tích gương lò hoặc phần gương lò được nổ, m2; e - hệ số sức công phá của thuốc nổ, phụ thuộc vào khả năng công phá P, cm3, của thuốc nổ 380 e = , P các loại thuốc nổ Việt Nam AH-1 có P = 250-260; PM-3151 có P = 390-400 cm3. Trong công thức trên, các trị số q1 và F được xác định bằng thực nghiệm. Khi xác định suất nạp thuốc để nổ mìn phá than ở gương lò chợ, có thể sử dụng số liệu trong bảng 1. Tiêu hao chung về thuốc nổ cho toàn bộ khối than cần nổ mìn khi tiến độ của gương lò chợ là r được xác định bằng công thức: Q = qSr , kg , trong đó S - diện tích gương lò chợ, m2; r - tiến độ gương lò ở mỗi lần nổ, m. Lượng thuốc nổ nạp hình cột tập trung trong lỗ mìn nhỏ bị khống chế bằng quan hệ: ltn ≤ llk kn , trong đó ltn - chiều dài khối thuốc nổ trong lỗ khoan, m; llk - chiều dài lỗ khoan, m; kn - hệ số nạp thuốc nổ cho phép lớn nhất trong lỗ khoan. Bảng 1 Quan hệ giữa suất nạp thuốc và độ kiên cố của than Suất nạp thuốc (q) , kg/m3 Hệ số kiên cố Đặc tính của than của than (f) khi có một khi có hai mặt tự do mặt tự do 3 Antraxit kiên cố, than đá chắc 0,480,60 0,240,36 quánh không rạn nứt, có lẫn pirit 2 - 2,5 Antraxit ít rạn nứt, than đá chắc 0,400,52 0,200,29 quánh không lẫn pirit 1,5 - 2 Antraxit nhiều rạn nứt, than đá kiên 0,340,45 0,140,20 cố trung bình 1 - 1,5 Than đá mềm yếu, than nâu 0,260,36 0,100,16 Hiệu quả tác động của khối thuốc nổ và tính an toàn của công tác nổ mìn phụ thuộc vào sự lựa chọn đúng đắn hệ số nạp thuốc trong lỗ khoan (kn). Đối với các mỏ than không nguy hiểm về khí và bụi nổ, hệ số kn được lấy theo độ kiên cố của than hoặc đá cần nổ mìn, độ kiên cố càng cao, kn càng lớn: - khi f > 6 , thì kn = 0,8 ; - khi f < 3 , thì kn = 0,6 .
25. 23 Đối với các mỏ nguy hiểm về khí và bụi nổ, khi chiều dài lỗ khoan là 0,61,5 m, thì kn không vượt quá 0,5. Hiệu quả của công tác nổ mìn còn phụ thuộc rất nhiều vào sự bố trí hợp lý các lỗ khoan và có quan hệ với các mặt tự do, đặc biệt là bề mặt gương lò. Chúng ta sẽ xem xét vị trí của một lỗ khoan đơn độc so với bề mặt gương lò: lỗ khoan có thể được khoan thẳng góc hoặc nghiêng một góc nào đó với mặt gương. Trong trường hợp đầu, khi bố trí lỗ khoan thẳng góc với gương, năng lượng nổ về cơ bản tiêu hao vào việc bắn nút mìn ra khỏi lỗ khoan và việc truyền sóng nổ vào bên trong khối nguyên. Lúc này, chỉ có một thể tích nhỏ của khối than hoặc đá bị tách vỡ. Trong trường hợp thứ hai, thể tích than hay đá bị phá vỡ lớn hơn nhiều so với trường hợp đầu. Khi bố trí lỗ khoan song song với mặt tự do, thì hiệu quả thu được còn cao hơn nữa. Khi tiến hành công tác nổ mìn, cần xét đến cấu trúc của than hay đá. Thí dụ, nếu vỉa than có các mặt phẳng phân lớp hay có hướng các thớ nứt rõ rệt, thì cần cố gắng bố trí lỗ khoan thẳng góc với các mặt đó. Để nâng cao hiệu quả nổ mìn, người ta tạo thêm các mặt tự do ở gương lò chợ bằng cách tạo rạch cho nó. Đường kính lỗ khoan thường lấy lớn hơn đường kính thỏi thuốc nổ 10-15 %. Trong công nghiệp than, đường kính thỏi thuốc nổ thường từ 3236 mm, ứng với đường kính lỗ khoan là 3640 mm. Chiều sâu lỗ khoan từ 15 m. Khi nổ khối thuốc trong lỗ khoan, thường có một phần ở đáy lỗ khoan không được sử dụng hết. Hiệu quả sử dụng lỗ khoan được đánh giá bằng hệ số sử dụng lỗ khoan (ksd), tức là tỷ số giữa chiều dài phần lỗ khoan được sử dụng với chiều dài chung của nó. Hiệu suất lỗ khoan phụ thuộc vào các tính chất cơ-lý của than hay đá, sự bố trí các lỗ khoan ở gương lò, loại thuốc nổ và v.v Khi lựa chọn đúng các thông số khoan nổ mìn, hệ số sử dụng lỗ khoan có thể đạt 0,850,95. Theo kinh nghiệm của thực tế sản xuất ở nước ta, chiều rộng mỗi dải khấu (r) khi dùng khoan nổ mìn thường được lấy từ 0,71,4 m. Dựa vào chiều rộng dải khấu, có thể xác định chiều sâu lỗ khoan theo hướng thẳng góc với gương lò chợ bằng công thức: r llk = , m . ksd Thường các lỗ mìn được khoan nghiêng một góc 6080o so với mặt gương, cho nên chiều sâu lỗ khoan thực tế lớn hơn một chút so với trị số llk tính theo công thức trên. Tổng số lỗ mìn ở mỗi luồng khấu của lò chợ được xác định theo công thức: q S N = 1,27 lc , lỗ mìn , 2 Δ d kn trong đó q - suất nạp thuốc nổ, kg/m3; 2 Slc - diện tích gương lò chợ, m ; - mật độ thuốc nổ trong thỏi thuốc, kg/m3; d - đường kính thỏi thuốc nổ, m; kn - hệ số nạp thuốc.
26. 24 Lượng thuốc nổ trung bình cho một lỗ khoan được tính bằng công thức: Q q = , kg . lk N Trị số qlk này cần được làm tròn theo trọng lượng của thỏi thuốc. Thuốc nổ dùng trong công nghiệp mỏ được đóng gói thành từng thỏi 150-200-250-300 g. Sau khi điều chỉnh qlk , tất nhiên phải xác định lại tổng số lỗ mìn ở gương lò chợ bằng cách tính ngược lại công thức trên: N = Q , lỗ mìn . qlk Để tránh làm mất tính ổn định của các vì chống, cũng như của đá vách và đá trụ và để thiết bị vận tải trong lò chợ không bị chất tải qúa mức trong khi nổ mìn, người ta tiến hành nổ lần lượt từng nhóm lỗ mìn hoặc từng đoạn lò chợ. Khi nổ từng nhóm lỗ mìn (có khi nổ lần lượt từng lỗ mìn) có thể giảm được chi phí thuốc nổ ở mỗi luồng khấu, bởi vì, trừ nhóm lỗ mìn được nổ đầu tiên, các nhóm lỗ mìn khác được nổ trong điều kiện có thêm mặt tự do. Cách nổ này thường được thực hiện nhờ sử dụng các loại kíp nổ vi sai. 4.3. Khấu than bằng máy liên hợp Máy liên hợp khấu than là loại máy thực hiện các công đoạn tách than khỏi khối nguyên, phá vỡ và xúc bốc than lên máng cào lò chợ. Những yêu cầu chính đối với máy liên hợp là: bảo đảm tách phá than ở mọi độ kiên cố và độ dẻo, năng suất cao, xúc bốc hết than lên máng cào, đảm bảo độ cục của than, khấu than trên cả chiều dài lò chợ, chống bụi khi làm việc có hiệu quả và tiêu thụ ít năng lượng. Có nhiều dạng bộ phận công tác của máy liên hợp: tay xích, đĩa, trục, tang trống, tang xoắn, kiểu khoan, đầu trục và hỗn hợp. Hiện nay, phổ biến hơn cả là các bộ phận công tác kiểu khoan, tang xoắn và tang trống. Đặc điểm của bộ phận công tác kiểu khoan là phá than bằng cách cắt một khe rãnh sâu hình vành khuyên, rồi sau đó làm vỡ khối than hình trụ đã được viền. Như vậy, đảm bảo độ cục của than cao và khả năng sinh bụi tương đối nhỏ. Nhược điểm chính của bộ phận công tác kiểu khoan là máy liên hợp không có khả năng tự khoan rạch trước mỗi dải khấu, đồng thời kết cấu của nó phức tạp, bởi vì cần có thêm các bộ phận công tác phụ để định hình nền lò và mặt gương. Bộ phận công tác kiểu tang trống được chế tạo với trục quay ngang hay thẳng đứng. Khi có hai tang trống, nó dễ dàng được điều chỉnh theo chiều dày của vỉa và cho phép thay đổi chiều rộng dải khấu bằng cách lắp đặt lại các phần tử cắt than. Khuyết điểm của tang trống với trục quay ngang là: không tự khoan rạch, tỷ lệ than cám lớn, khả năng xếp tải kém và đòi hỏi cần có thêm cơ cấu xúc bốc đặc biệt, nặng nề và cồng kềnh. Bộ phận công tác kiểu tang xoắn tương tự tang trống có trục quay ngang, nhưng nó khác biệt về điều kiện xúc bốc than lên máng cào. Dòng than phá được luôn bị đẩy dọc trục tang xoắn, như vậy quãng đường tải than được rút ngắn, tác động làm vụn than bị suy giảm khi xúc bốc và không đòi hỏi các phụ kiện xúc bốc phức tạp. Hoạt động của tang xoắn không đòi hỏi tốc độ cao, nó cho phép tăng tiết
27. 25 diện rãnh cắt và cải thiện độ cục của than nguyên khai. Bộ phận công tác kiểu tang xoắn có khả năng tự khoan rạch, tạo nên tính ưu việt của máy liên hợp. Các loại máy liên hợp được phân biệt theo kết cấu, kích thước, năng suất, vị trí của các bộ phận công tác tương đối với thân máy (hình 4) và nguyên lý hoạt động của chúng. ở vị trí trung tâm của bộ phận công tác, chiều dài của các phần lò chợ không được khấu bằng máy ở hai đầu lò chợ tương đương nhau. Trong sơ đồ công nghệ này thực tế không thể loại trừ được các buồng khấu, kể cả khi đưa các đầu truyền động của máng cào ra lò chuẩn bị tiếp giáp với lò chợ. Khi sắp xếp bộ phận công tác về một phía, kích thước của phần không được khấu có thể giảm ở một đầu lò chợ. Vị trí các bộ phận công tác ở cả hai phía thân máy liên hợp cho phép khấu cả chiều dài lò chợ mà không cần phải tạo các buồng khấu. Có nhiều sơ đồ bố trí máy liên hợp tương đối với máng cào lò chợ: 1) máy liên hợp hoạt động ở luồng thứ nhất, còn máng cào ở luồng thứ hai; 2) máy liên hợp và máng cào đều hoạt động ở luồng thứ nhất; 3) máng cào ở luồng thứ nhất, còn máy liên hợp khấu than từ rìa dải khấu; 4) máy liên hợp khấu than từ trên khung máng cào, nằm sát gương. Vị trí của bộ phận công tác so với thân máy liên hợp Trung tâm Về một phía Về hai phía Một bộ phận công tác Hai bộ phận công tác Gần nhau Xa nhau Hình 4: Các phương án bố trí bộ phận công tác của máy liên hợp Sơ đồ đầu tiên được thường được áp dụng cho máy liên hợp khấu rộng và máng cào dễ tháo lắp, hiện nay không còn phổ biến nữa. Sơ đồ thứ hai là sự hoàn thiện của sơ đồ trên vì không có hàng cột chống giữa thân máy liên hợp và máng cào lò chợ. Song, do không có hàng cột đó, dẫn đến sự gia tăng mạnh diện bóc lộ của đá vách, vì vậy độ ổn định của nó bị suy giảm. Khi áp dụng sơ đồ thứ ba, điều kiện xúc bốc than lên máng cào được cải thiện đáng kể và tạo khả năng thuận lợi để duy trì chiều rộng dải khấu của máy ổn định. Những khuyết điểm chính của sơ đồ này là: diện lộ của vách đáng kể ở vị trí công tác của máy liên hợp, làm giảm phạm vi áp dụng của nó theo độ ổn định của đá vách; khi điều kiện dạng nằm của vỉa phức tạp, việc điều khiển máy liên hợp sẽ gặp rất nhiều khó khăn.
28. 26 Hiện nay, sơ đồ thứ tư được áp dụng rộng rãi nhất. Sơ đồ này đảm bảo tính định hướng cho máy liên hợp, điều kiện xúc bốc than và tự cắt rạch được cải thiện. Nhờ đó, quá trình khấu than được tiến hành với tốc độ cao. Thêm vào đó, sự hoà đồng luồng máy và luồng máng cào cho phép giảm chiều rộng cần thiết của vùng gương lò và tạo điều kiện thuận lợi để ứng dụng vì chống cơ khí hoá. Yếu điểm đáng kể của sơ đồ này là sự phức tạp khi bố trí máy liên hợp bên trên máng cào ở những vỉa mỏng hơn 0,8 m, khi mà khoảng hở giữa chúng không đủ để đi lọt những cục than lớn. Các loại máy liên hợp có thể khấu than theo sơ đồ một chiều, hai chiều có quay máy và hai chiều kiểu con thoi. Công nghệ khấu than trong lò chợ theo sơ đồ con thoi phụ thuộc vào vị trí lắp đặt bộ phận công tác so với thân máy. ở vị trí lệch về một phía, chúng thường ở phía hướng xuống lò dọc vỉa vận tải. Vì như vậy, dòng tải than không phải đi bên dưới thân máy, tránh gạt văng những cục than lớn ra khỏi máng cào. Vị trí của bộ phận công tác lệch về phía lò dọc vỉa thông gió thường được ứng dụng ở các vỉa nguy hiểm về khí và bụi. Thực tế cho thấy rằng, không có phương tiện hay dụng cụ nào có thể xúc bốc hoàn toàn lượng than sau khi tách phá. Các hiện tượng rơi vãi than từ máng cào, ép trồi, lở gương không cho phép máy liên hợp dọn sạch nền lò chợ ở khoảng giữa máng cào và gương lò, do đó cần phải dọn nền bằng thủ công. Công nghệ khấu than theo sơ đồ con thoi có những nhược điểm dưới đây: - khi khấu than ngược chiều gío, các công nhân lò chợ thực hiện sửa gương, dọn nền, đẩy máng cào, chống lò rơi vào vùng bị nhiễm bụi nặng nề; - ở những vỉa có độ chứa khí cao, hiệu quả tháo khí tự nhiên bị suy giảm. Khi có hiện tượng ép trồi mạnh, vách giả, độ dốc của vỉa đột biến ở các đoạn lò chợ và trong các điều kiện khó khăn khác, hiện nay có xu hướng chuyển sang sơ đồ khấu than một chiều. Trong đó, chiều khấu than là chiều máy liên hợp đi xuôi theo dòng gió, còn chiều ngược lại là để nó dọn nền. Sơ đồ một chiều có những ưu điểm dưới đây: - cơ khí hoá việc dọn nền ở chiều đi ngược về của máy liên hợp, giải phóng con người khỏi luồng sát gương, hạn chế tai nạn lao động do lở gương hay sụt vách và khối lượng lao động thủ công để dọn nền giảm 5-6 lần; - khi đi ngược về, máy liên hợp phá vỡ than một lần nữa, lấy hết các phần vỉa còn sót lại ở nền lò, tạo điều kiện thuận lợi để di chuyển máng cào về phía gương; - ở chiều khấu than của máy liên hợp, công nhân lò chợ làm việc trong dòng gió sạch, ở chiều dọn nền than được phun tưới nước một lần nữa, do đó làm giảm đáng kể mức độ sinh bụi; - hiệu quả tháo khí tự nhiên từ mặt gương được nâng cao, do có thời gian dành để quay đầu máy; - giảm được thời gian cần dành cho các công đoạn cuối.
29. 27 So với sơ đồ con thoi, sơ đồ khấu than một chiều có những yếu điểm sau: - thời gian hoạt động của máy liên hợp cho một dải khấu gia tăng; - tăng hai lần quãng đường di chuyển của các thợ máy. ở những vỉa than có góc dốc lớn hơn 6o, sơ đồ một chiều tỏ ra có hiệu qủa dọn nền cao khi lò chợ dịch chuyển ngược chiều dốc, nhưng lại không hiệu quả khi lò chợ dịch chuyển xuôi chiều dốc. Trong sơ đồ con thoi, thợ máy chính và thợ phụ bắt đầu một chu kỳ bằng các việc kiểm tra máy, tháo tấm gạt than và di chuyển máy về phía gương cùng với đầu máng cào, tức là đưa máy lọt vào buồng khấu đã được chuẩn bị từ trước. Sau khi đẩy máng cào, máy sẽ khấu một đoạn gương lò chợ khoảng 3-4 m không có tấm gạt than. Khi đó, việc xúc bốc than được làm thủ công nhờ thợ phụ và các thợ lò chợ khác. Chính họ sẽ lắp đặt tấm gạt than cho máy liên hợp. Những công đoạn này chiếm khoảng 20-30 phút. Hình 5 : Sơ đồ công nghệ khấu than bằng máy liên hợp 1 và 2 - buồng khấu dưới và trên; 3 - máy liên hợp; 4 - tấm gạt than; 5 - máng cào; 6 và 7 - đầu truyền động dưới và trên Trong thời gian khấu than (hình 5), thợ máy chính cùng một hoặc hai thợ phụ tham gia điều khiển máy liên hợp. Một phần than vụn sót lại sau khi máy đi qua được chất lên máng cào bằng thủ công. Sau khi khấu hết một dải than, máy liên hợp được đẩy vào buồng khấu giáp với lò dọc vỉa thông gió, rồi các công đoạn cuối sẽ được thực hiện. Cuối cùng, có thể bắt đầu một dải khấu mới. a) b) ) Hình 6 : Sơ đồ khấu than một chiều của máy liên hợp: a - chiều khấu; b - chiều thả máy Trong sơ đồ khấu một chiều, khi thả máy, bộ phận công tác của nó xúc bốc số than sót lại trên nền lò chợ trong khi khấu, kể cả lượng than phát sinh do lở gương. Các tấm xà của vì chống cơ khí hoá được di chuyển liền phía sau quá trình
30. 28 khấu than của máy liên hợp, còn việc đẩy máng cào được thực hiện hoặc đồng thời với công đoạn khoan rạch của máy ở phần dưới của lò chợ, hoặc ngay sau khi máy đi qua ở chiều quay lại (hình 6). Khi khai thác các vỉa than với góc dốc vượt quá 15o, có thể áp dụng sơ đồ khấu hỗn hợp, chia lò chợ thành hai phần. ở sơ đồ này, vị trí xuất phát của máy liên hợp là phần dưới của lò chợ, máng cào và vì chống ở phần dưới và giữa lò chợ nằm cách gương lò một khoảng bằng chiều rộng dải khấu, còn ở phần trên của lò chợ máng cào và vì chống được ép sát vào gương. Khi di chuyển từ dưới lên trên, máy liên hợp sẽ dọn nền ở phần dưới và giữa lò chợ. Ngay sau nó, người ta di chuyển vì chống và máng cào. Di chuyển tiếp tục theo máng cào, máy liên hợp sẽ khấu vào vỉa ở phần trên của lò chợ và lấy một dải than, lên tới lò dọc vỉa thông gió. Máng cào và vì chống ở phần này không được di chuyển. Khi đi theo chiều ngược lại, máy dọn nền của phần trên lò chợ và ăn vào vỉa để khấu một dải mới tại vị trí máng cào đã bị đẩy vào gương. Sau khi dọn sạch than ở phần trên của lò chợ, có thể di chuyển vì chống và máng cào. Chu kỳ sẽ kết thúc khi máy quay về tới đầu dưới của lò chợ. Nếu đá vách kém ổn định, thì có thể di chuyển vì chống ngay phía sau máy liên hợp. Hình 7: Sơ đồ công nghệ khấu than bằng máy liên hợp ở vỉa dốc đứng Khấu than bằng máy liên hợp ở các vỉa dốc đứng được thực hiện từ dưới lên trên, từ rìa của dải khấu. Gương lò chợ có một độ nghiêng 5-10o so với chiều dốc để giúp máy luôn ép sát vào gương và loại trừ sự va đập của dòng than vào vì chống (hình 7). Máy liên hợp 1 được treo dưới hai dây cáp 2 nhờ dầm treo 3 và máy tời 4, được đặt trên lò dọc vỉa thông gió. Trong khi điều khiển máy liên hợp, thợ phụ di
31. 29 chuyển cùng với bảng công tắc 5 ở vị trí cao hơn máy khoảng 10-20 m và theo tín lệnh của thợ máy chính sẽ bật hoặc tắt máy. Thợ chính phải liên tục quan sát hoạt động của máy và trạng thái của đá vách. Sau khi khấu hết một dải than, cần phải di chuyển dầm treo và thả máy trở về vị trí xuất phát. Trong lò chợ của vỉa dốc đứng cần có một buồng khấu khá lớn ở phần dưới của nó để lưu than và duy trì lối đi xuống lò dọc vỉa vận tải. việc khấu và chống buồng này thường được thực hiện bằng phương pháp thủ công, nhờ khoan nổ mìn hoặc búa chèn. Sự pha trộn hai phương pháp khấu than trong cùng một lò chợ chính là một trong những yếu điểm của sơ đồ công nghệ này, nó kìm hãm năng suất của máy liên hợp. 4.4. Các thông số công nghệ của máy liên hợp Phạm vi áp dụng hợp lý của máy liên hợp được quyết định bởi đặc điểm kết cấu, các thông số và sơ đồ công tác của chúng. Trong bảng 2 giới thiệu một số loại máy liên hợp điển hình do SNG chế tạo, chúng có thể khai thác hiệu quả các vỉa than dày từ 0,45 đến 3,2 m, với góc dốc từ 0 đến 90o. Tuy vậy, hiệu quả công tác của các máy liên hợp được áp dụng cho các điều kiện khác nhau không thể như nhau. Đó là do sự khó khăn khi chế tạo các loại máy dùng cho vỉa rất mỏng, các vấn đề liên quan đến các công đoạn cuối ở lò chợ chưa được giải quyết thấu đáo, đồng thời là sự phức tạp khi cần cơ khí hoá các quá trình sản xuất song hành. Bảng 2 Chiều rộng Tốc độ Chiều dày Công suất Máy Góc dốc của khấu của di chuyển Lực kéo, khấu của truyền động liên hợp vỉa, độ máy liên máy, kN vỉa, m của máy, kW hợp, m m/ph K103 0,56 - 1,18 Đến 35 0,63 ; 0,71 (75 2)+(37 2) 0 - 5,2 200, 150 BKT 0,55 - 1,0 - 35 0,8 115 + (37 2) 0 - 5,2 200, 150 KA80 0,7 - 1,0 - 35 0,8 125 + (34 2) 0-5,2;0-7,6 200, 150 MK67M 0,63 - 1,05 - 20 0,8 125 0 - 5,0 140 1K101 0,7 - 1,29 - 35 0,63 ; 0,8 105 0 - 3,5 150, 120 2K52M 1,0 - 1,81 - 35 0,63 ; 0,8 115 0,3 - 4,4 160 1,25 - 2,08 1GS68 1,12 - 2,12 - 35 0,63 ; 0,8 110 2 0,3 - 4,4 160 1,25 - 2,2 1,4 - 2,5 1,6 - 2,6 1KS1KG 1,1 - 1,8 - 25 0,63 105 0 - 6,0 120 1,4 - 2,2 1,4 - 2,5 1,6 - 2,92 KS3M 1,6 - 3,6 - 35 0,5 ; 0,63 145 2 0,3 - 4,4 160 A70M 0,4 - 0,8 40 và lớn hơn 0,9 40 0,43 ; 0,76 100 Temp-1 0,6 - 1,5 45 - 90 0,9 70 0,43 ; 0,76 100 KND 0,63 - 2,0 30 - 80 0,8 ; 0,9 115 0 - 7,5 200 (Xmena)
32. 30 Tốc độ di chuyển của máy liên hợp là một chỉ số quan trọng, nó quyết định sản lượng và chất lượng của than nguyên khai. ở sơ đồ khấu từ sườn, sản lượng than (tấn/phút) được xác định theo công thức: Q = Vv , t/ph , trong đó: V - diện tách phá than, m2; v - tốc độ di chuyển của máy khấu, m/ph ;  - dung trọng của than, t/m3. V = m r , m2 , m - chiều dày của vỉa, m ; r - chiều rộng dải khấu, m . Như vậy, sản lượng than trong một đơn vị thời gian phụ thuộc vào hai biến số: chiều rộng dải khấu và tốc độ di chuyển của máy liên hợp. Do các loại máy liên hợp được chế tạo với chiều rộng khấu định trước, năng suất của nó phụ thuộc vào tốc độ di chuyển khi nó khấu than. Những yếu tố cơ bản xác định tốc độ di chuyển của máy liên hợp là: các thông số của bộ phận công tác, công suất của động cơ, độ mài mòn của công cụ cắt và độ kháng cắt của than. Rõ ràng, lực cắt, tốc độ khấu và công suất động cơ đều phụ thuộc vào độ kháng cắt của than. Nếu biết trước độ kháng cắt của than, thì tốc độ khấu cho phép của máy (m/ph) sẽ là: -3 vcnr vcp = 6.10 S , m/ph , mr cp trong đó: vc - tốc độ cắt trung bình, m/s; nr - số răng cắt tiếp xúc đồng thời, được lấy theo sơ đồ sắp xếp dụng cụ cắt trên bộ phận công tác; 2 Scp - tiết diện của rãnh cắt than cho phép trung bình, cm , Ztb 0,3Aet 25 2 Scp = , cm , 0,06Aet Ztb - lực cắt than trung bình do động cơ truyền tới dụng cụ cắt, N; Aet - độ kháng cắt của than trong vùng ép trồi, N/cm. Giá trị của Ztb được xác định bằng công thức: 102Pη Ztb = , N ; vcnr P - công suất ổn định của động cơ, kW;  - hiệu suất của bộ truyền động. Tính cho các bộ phận công tác kiểu tang xoắn, tang trống và đĩa cắt: m 0,5π arcsin i 1 D nr = n , 2π trong đó: n - tổng số răng cắt của bộ phận công tác; mi - phần vỉa than được khấu bởi một bộ phận công tác biệt lập, m; D - đường kính tang của bộ phận công tác, m.
33. 31 Tính cho bộ phận công tác kiểu khoan: 2r 0,5π arcsin 1 D n = . r π Đối với than dẻo, có thể xác định lực cắt cần thiết: Ztb = 0,95AStb + 0,3A + 25 , N ; và đối với than dòn : Ztb = 0,06AStb + 0,3A + 25 , N , 2 trong đó Stb - tiết diện trung bình của rãnh cắt, cm . Độ kháng cắt cho phép giới hạn của than khi máy có thể làm việc với năng suất cho trước (tốc độ cho trước) : Ztb 25 Acp.gh = , N/cm . 10rm 0,3 vcnr Tốc độ cắt trung bình: Σvcimi vc = , m/s , m trong đó: vci - tốc độ cắt của bộ phận công tác i , m/s. Khi xác định Scp độ kháng cắt của than được lấy trong điều kiện ép trồi. Nếu đã biết độ kháng cắt A ở vùng không ép trồi, thì độ kháng cắt khi ép trồi là: Aet = Aket , trong đó: ket - hệ số ép trồi. Điều cần chú ý khi đánh giá phương pháp phá vỡ than là độ cục của than, phụ thuộc vào mức độ làm vụn nó. Việc giảm tỷ lệ than cám đạt được khi giảm số răng cắt với tốc độ di chuyển máy liên hợp không cao, hay khi tăng tốc độ máy với sơ đồ lắp răng cắt không đổi, hoặc tăng độ dày rãnh cắt bằng cách giảm tốc độ cắt. Độ cục của than còn phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu của bộ phận công tác và cá biệt là chiều rộng khấu của nó. Nếu giảm chiều rộng khấu của máy, có thể tăng được tốc độ khấu của nó và như vậy tăng được độ cục của than. Mức độ làm vụn than sẽ nhỏ nhất khi xúc bốc nó bằng bộ phận công tác kiểu tang trống với trục quay thẳng đứng, bởi vì khi đó chỉ cần phải nâng một phần than lên máng cào. Khi sử dụng các bộ phận công tác kiểu tang xoắn hay kiểu khoan, thực tế là toàn bộ than cần phải được nâng lên hết chiều cao của máng cào. 5.5. Xúc bốc than khi khấu bằng máy liên hợp Các máy liên hợp với bộ phận công tác kiểu tang xoắn, kiểu khoan và kiểu tang trống thực hiện xúc bốc than bằng chính bộ phận công tác và các cơ cấu xếp tải chuyên dùng ở dạng lưỡi cày, tấm gom và tấm chất tải. Bộ phận công tác và cơ cấu xếp tải của máy liên hợp không thể xúc bốc hết than lên máng cào. Hơn nữa, khoảng trống giữa gương lò chợ và máng cào sau khi máy đi qua thường bị than lở xuống, đôi khi có cả sự sập lở cục bộ của đá vách.
34. 32 Lượng than cần xúc bốc bằng máy liên hợp được tính bằng (hình 8): r r tgβ Qxb = r hmc γtLm , tấn , 2 Hình 8: Sơ đồ xác định lượng than cần xúc bốc Trong đó: r - chiều rộng khấu của máy, m; hmc- chiều cao của máng cào, m;  = 3545o - góc trượt tự nhiên của than tơi vụn phụ thuộc vào độ cục và độ ẩm của than; 3 t = 0,91,1 - khối lượng riêng của than tơi vụn, t/m ; Lm - chiều dài phần gương lò chợ được khấu bằng máy, m. Cơ khí hoá việc xúc bốc than lên máng cào được thực hiện nhờ : - bộ phận công tác của máy khấu khi đi ngược lại; - cơ cấu xếp tải hoạt động cùng với bộ phận công tác, hoặc không phụ thuộc vào nó. Theo mối liên kết giữa cơ cấu xếp tải với thiết bị lò chợ, chúng được chia thành hai nhóm: - tổ hợp với máy liên hợp, đó là lưỡi cày, tấm gom, tấm nghiêng, bộ phận xếp tải cơ khí (hình 9, I) ; - tổ hợp với máng cào, đó là lưỡi cày bị động, lưỡi cày có khớp quay và lưỡi cày chủ động (hình 9, II). Những cơ cấu xếp tải tổ hợp với máy liên hợp cần phải được hiệu chỉnh, khi thay đổi chiều khấu. Còn những cơ cấu tổ hợp với máng cào không đòi hỏi công đoạn đó. Các cơ cấu xếp tải thực hiện những chức năng khác nhau. Lưỡi cày thực hiện xúc bốc than, tấm nghiêng và cơ cấu cơ khí đảm bảo gom than về phía bộ phận công tác và chất lên máng cào, còn các tấm xếp tải giúp máy thực hiện xúc bốc than và dọn nền triệt để hơn cả. Lưỡi cày chủ động của máng cào bảo đảm làm tơi than và chất nó lên máng cào, trong khi lưỡi cày bị động không làm tơi than. Ưu điểm của các cơ cấu xếp tải chủ động là khả năng kiểm soát lượng than cần xúc bốc. Quá trình xếp tải được thực hiện nhờ cơ cấu di chuyển máy, bộ truyền của bộ phận công tác, bộ truyền độc lập, hoặc cơ cấu di chuyển máng cào. Các cơ cấu xếp tải tổ hợp với máy liên hợp được chia thành cơ cấu bị động và cơ cấu chủ động. Nhóm thứ nhất bao gồm lưỡi cày, tấm nghiêng, tấm trượt và tấm gạt. Nhóm thứ hai là các kết cấu cơ khí khác nhau. Lưỡi cày hoạt động theo nguyên tắc đẩy than theo mặt nghiêng về phía máng cào nhờ lực kéo của bộ phận di chuyển máy liên hợp.
35. 33 a) b) c) d) f) e) g) Hình 9 : Sơ đồ hoạt động của các cơ cấu xếp tải tổ hợp với máy liên hợp (I) và với máng cào (II): a - lưỡi cày ; b - tấm lật ; c - cơ cấu xếp tải cơ khí ; d - tấm chất tải ; e - lưỡi cày bị động ; f - lưỡi cày có khớp ; g - lưỡi cày chủ động Máng cào lò chợ được dùng để định hướng chuyển dịch cho lưỡi cày. Kết cấu của lưỡi cày được lựa chọn phù hợp với sơ đồ khấu một chiều hoặc hai chiều của máy. Lưỡi cày thường được bố trí ở khoảng cách 5-8 m kể từ máy liên hợp, do đó nó làm tăng độ vỡ vụn của than. Những yếu điểm lớn của lưỡi cày là: kích thước và khối lượng đồ sộ; cần phải tháo lắp thủ công sau mỗi dải khấu; dễ bị kẹt giữa gương và máng cào; cần phải tăng chiều dài các buồng khấu ở hai đầu lò chợ và phải tăng lực kéo của bộ phận di chuyển máy. Khi sử dụng lưỡi cày, tốc độ di chuyển máy bị giảm 15-29 % so với khi dùng cơ cấu xếp tải tĩnh của máng cào. Tấm nghiêng cũng được lắp đặt ở gần bộ phận công tác. Than sau khi bị phá, rơi vào mặt của tấm nghiêng và được chất lên máng cào. Hiệu quả xếp tải của tấm nghiêng phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng của nó. Tấm nghiêng đòi hỏi vỉa phải có đủ chiều dày cần thiết, vì vậy không thể dùng nó ở những vỉa than mỏng. Do kích thước và khối lượng lớn, tấm nghiêng gây nhiều khó khăn khi phải tháo lắp và cản trở việc dùng nó ở sơ đồ khấu một chiều. Tấm lật được kết hợp từ hai phần tử tấm nghiêng và lưỡi cày. Nó được sử dụng với sơ đồ khấu than một chiều. Khuyết điểm của tấm lật là sự cồng kềnh của nó, đồng thời cần phải chuẩn bị các buồng khấu khá dài. Theo đặc điểm kết cấu, các tấm chất tải được phân biệt thành kiểu quay, kiểu lật và kiểu tháo rời. Tấm chất tải kiểu quay được áp dụng ở sơ đồ khấu con thoi, nó trở nên không hợp lý ở các vỉa than mỏng. Với các vỉa mỏng, thường sử dụng các tấm kiểu lật. Khi máy liên hợp khấu theo sơ đồ con thoi, người ta dùng hai tấm kiểu này, mỗi tấm ứng với một chiều khấu. Các tấm kiểu lật và kiểu tháo rời không cản trở quá trình tự khoan rạch trực diện của máy liên hợp. Khoảng cách giữa tấm chất tải và bộ
36. 34 phận công tác có ý nghĩa rất lớn. Khi tăng khoảng cách này, tốc độ di chuyển máy sẽ tăng lên. Để đạt tốc độ di chuyển máy tối đa, khoảng hở giữa răng cắt và bề mặt công tác của tấm chất tải cần được thiết lập ở khoảng 300 mm. Nếu ngược lại, tang xoắn sẽ bị ngập than, để lại một lớp than vụn trên nền lò chợ dày cỡ 10-15 cm. So với lưỡi cày các tấm gom và xếp tải than làm giảm 4-5 m kích thước của vùng gương không được chống giữ dọc theo chiều dài lò chợ, giảm mức độ sinh bụi và không cản trở quá trình tự khoan rạch. ở những máy liên hợp hiện đại, các tấm chất tải được trang bị các kích thuỷ lực, cho phép thay đổi vị trí của chúng trong 2-5 phút. Các bộ phận xếp tải chủ động của máy liên hợp được gắn gần với bộ phận công tác, chúng được chế tạo ở dạng tấm lật với các tay gạt, có bộ truyền động riêng biệt. Khuyết điểm của máy liên hợp có bộ phận xếp tải chủ động là: kết cấu của máy phức tạp và không tạo khả năng tự khoan rạch của nó; chỉ có điều kiện áp dụng với sơ đồ khấu một chiều do các công đoạn tháo dỡ-lắp ráp phức tạp; mức độ sinh bụi trong lò chợ gia tăng. Các cơ cấu xếp tải tổ hợp với máng cào cũng được chia thành bị động và chủ động (hình 9, II). Quá trình xếp tải nhờ lưỡi cày bị động chính là sự nâng than rời trong khoảng giữa gương và máng cào bằng các tấm thép hình nêm, được gắn vào sườn máng cào, sau đó than sẽ tự rơi vào lòng máng. Lưỡi cày hoạt động nhờ lực đẩy của các kích thuỷ lực di chuyển máng cào, như vậy tạo khả năng hoà đồng quá trình xúc bốc với quá trình đẩy máng. Ưu điểm của cơ cấu xếp tải này là kết cấu đơn giản, tạo khả năng nâng cao tốc độ di chuyển máy, giảm 10-15 % hiện tượng làm vụn than và giảm sự sinh bụi. Muốn đảm bảo sự tự chất tải của than lên máng cào cần phải có một lực lớn, phân bố đều, được tạo ra khi khoảng cách giữa các kích thuỷ lực tương đối nhỏ. Những khuyết điểm của lưỡi cày là: làm giảm chiều rộng khấu của máy do không đẩy được nó vào sát gương và sự ép chặt than giữa gương và lưỡi cày; chừa lại một lớp than vụn sau khi đẩy lưỡi cày; làm tăng lực tác động lên khung máng cào; chỉ dùng được khi trụ của vỉa tương đối phẳng và không bị phá huỷ. Các lưỡi cày chủ động được lắp đặt ở sườn phía gương của máng cào và được gắn kết bằng một xích vô tận mắt tròn, có bộ truyền động độc lập. Khi di chuyển máng cào về phía gương, các lưỡi cày xâm nhập vào khối than đã bị phá, còn sót lại sau khi máy đi qua. Nhờ chuyển động chạy vòng của lưỡi cày dọc theo máng cào, than trên nền lò được nâng lên và chất vào máng cào. Khi dùng lưỡi cày chủ động không cần có lực lớn để di chuyển máng cào. Khuyết điểm của lưỡi cày chủ động là: kết cấu phức tạp; cần phải tăng kích thước các buồng khấu để bố trí thêm bộ truyền động của nó; giá thành cao. Lưỡi cày chủ động được dùng khi khai thác lò chợ theo hướng xuôi chiều dốc. 4.6. Khấu than bằng máy bào Khấu than bằng máy bào là một trong những hướng phát triển công nghệ khai thác tiên tiến với gương lò chợ dài. Thiết bị bào gồm có lưỡi bào, bộ truyền động trên và dưới, xích kéo, máng cào lò chợ, thiết bị điện và thuỷ lực.
37. 35 Có một nhóm máy bào đặc biệt được gọi là máy bào-cào, chúng hoạt động không cần máng cào. Trong nhóm này, lưỡi bào thực hiện tách phá, xúc bốc và vận tải than. Khác với máy liên hợp, lưỡi bào không cắt than, mà hớt một lớp than mỏng từ mặt gương khi nó chạy dọc lò chợ. Than bị phá được thân bào và lưỡi cày chất lên máng cào. Thân bào cùng các răng cắt di chuyển dọc lò chợ theo cơ cấu định hướng, được gắn với khung máng cào. Máng cào cùng với lưỡi bào được đẩy vào gương nhờ các kích thuỷ lực hoặc khí nén. Bước đẩy được xác định bằng chiều rộng một dải khấu của lưỡi bào. Lưỡi bào khấu than qua những dải hẹp, rộng 30-150 mm. Nó làm việc theo sơ đồ con thoi, ở vùng gương không có cột chống, giữa gương và máng cào lò chợ. Khung máng cào chính là bộ phận định hướng cho lưỡi bào. Khi hoạt động, lưỡi bào khấu một dải than ở phía trụ của vỉa, còn phần than phía vách sẽ tự sập đổ nhờ trọng lượng của nó. Phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể, qua mỗi khoảng nhất định dọc theo máng cào, người ta lắp đặt các kích thuỷ lực ngang để đẩy máng cào và máy bào về phía gương. Bên cạnh việc tách phá và xúc bốc than, trong một chu kỳ khấu còn phải thực hiện sửa gương, chống giữ vùng gương, di chuyển máng cào và các bộ truyền động, chuẩn bị các buồng khấu trên và dưới. Cần có hai thợ máy điều khiển máy bào: thợ máy chính ở đầu truyền động phía dưới, còn thợ phụ ở đầu truyền động phía trên. Toàn bộ công nhân lò chợ cùng nhau kiểm soát hoạt động của máy bào. Có ba sơ đồ bố trí thiết bị bào: - các bộ truyền động của máy bào và máng cào hợp nhất trong một hệ thống, gồm hai bộ truyền động, được đặt ở hai đầu máng cào lò chợ; - các bộ truyền động của máy bào và máng cào nằm ở cạnh xa gương của máng cào; - bộ truyền động của máy bào nằm ở phía gần gương, còn hai bộ truyền động của máng cào được đặt ở cả hai cạnh máng cào. Khấu than bằng máy bào và bào-cào có những ưu điểm chính là: kích thước của máy không lớn, nhất là chiều cao, và kết cấu đơn giản bảo đảm khai thác hiệu quả các vỉa than mỏng; sắp xếp máy bào và máng cào thuận lợi hơn với các vì chống cơ khí hoá; không có bộ truyền động di chuyển dọc gương lò; bộ phận công tác hoạt động trong vùng gương ép trồi tối đa do chiều rộng khấu được rút ngắn; có khả năng làm việc không cần sự có mặt thường xuyên của công nhân lò chợ; ít gây bụi và có điều kiện vệ sinh công nghiệp tốt hơn. Việc sử dụng máy bào-cào cho phép thực hiện cơ khí hoá khấu các vỉa mỏng 0,4-0,8 m. Máy bào kết hợp với vì chống đơn được áp dụng thành công ở các vỉa dày từ 0,55 m trở lên, còn khi kết hợp với vì chống cơ khí hoá - ở các vỉa dày hơn 0,65-0,7 m. Những khuyết điểm của khấu than bằng máy bào là khó điều chỉnh lưỡi bào theo độ uốn lượn của vỉa, dẫn đến để sót những phần than ở trụ và đôi khi phần than ở vách không tự sập, đòi hỏi tách phá thủ công. Các máy bào than được chia thành hai nhóm chính: bào tĩnh và bào động.
38. 36 Các máy bào tĩnh được sử dụng phổ biến hơn. Tổ hợp thiết bị lò chợ với máy bào tĩnh (hình 10) bao gồm: máy bào 1, máng cào uốn 2 và vì chống cơ khí hoá 3. Máng cào lò chợ tải và chuyển than sang máng cào lò dọc vỉa 4. Khi khấu than, các dao và răng của lưỡi bào tách than chỉ nhờ vào lực của xích kéo. Theo dạng của bộ phận công tác, người ta phân biệt lưỡi bào có dao liền khối và lưỡi bào dạng răng. Hình 10: Sơ đồ bố trí tổ hợp thiết bị lò chợ với máy bào tĩnh Các lưỡi bào có dao liền khối được sử dụng ở các vỉa than mềm yếu, có vách trụ ổn định, bởi vì khi làm việc nó cần một khoảng rộng đáng kể không được chống giữ của gương lò. Khuyết điểm của loại bào này là thiếu sự định hướng chuyển động, do đó khi vỉa có cấu trúc không đồng chất lưỡi bào sẽ ăn vào trụ hay vào vách, hoặc bị lật vào gương hoặc về phía máng cào. Lưỡi bào kiểu răng được dùng rộng rãi hơn. Chúng được áp dụng ở các vỉa than từ mềm yếu đến kiên cố trung bình. Dụng cụ cắt ở các lưỡi bào là: răng trụ, răng phá và răng vách; răng cắt sơ bộ và răng cắt đi trước; dao vách và dao trụ. ở các lưỡi bào động, dao tách than được truyền động nhờ bộ truyền gắn ở trong lưỡi bào (có cả đề án thiết kế lưỡi bào động không có động cơ). Khi lưỡi bào khấu than dọc gương nó được truyền chuyển động lắc (rung) hoặc được tuyền tải trọng xung, do đó nó có cường độ tách phá than cao hơn. Vì vậy, các lưỡi bào động được dùng để khấu các loại than kiên cố và chắc quánh. Theo đặc điểm hoạt động của bộ phận công tác, các lưỡi bào được chia thành khấu một chiều và khấu hai chiều (kiểu con thoi và kiểu quay vòng). Phổ biến hơn cả là lưỡi bào khấu theo sơ đồ con thoi, chúng tạo khả năng di chuyển máng cào về phía gương ngay sau khi lưỡi bào đi qua. Ngoài ra, các máy bào còn được chia thành loại khấu hết chiều dày vỉa và loại khấu một phần chiều dày vỉa.
39. 37 4.7. Các thông số công nghệ của máy bào Trong công nghệ khấu than bằng máy bào, tốc độ chuyển động của lưỡi bào dọc gương lò chợ có ý nghĩa rất lớn. Theo thông số này, các lưỡi bào tĩnh được chia thành lưỡi bào chậm và lưỡi bào nhanh. Các lưỡi bào chậm làm việc với tốc độ đến 20 m/phút và được dùng để khấu các loại than kiên cố trung bình. Độ dày của dải than ở mỗi lần bào dao động trung bình từ 75 đến 150 mm. Các lưỡi bào nhanh làm việc với tốc độ 20-40 m/ph, chiều dày một dải bào là 50-100 mm. Hiện nay, người ta đang nghiên cứu chế tạo các máy bào nhanh với tốc độ bào than lên tới 100 m/ph. Việc nâng cao năng suất của máy bào có thể thực hiện theo hai cách: hoặc là tăng tốc độ khấu của lưỡi bào, hoặc là tăng chiều dày dải khấu. Tốc độ tối ưu của lưỡi bào được bảo đảm khi tốc độ bào lớn hơn tốc độ công tác của máng cào. Theo các yếu tố năng lượng và kỹ thuật, tốc độ tối ưu của lưỡi bào là 1,5-1,7 m/s. Bảng 3 Bào-cào Chỉ tiêu UST2A 1USB67 SO75 SN75 USB US2U Chiều dày vỉa, m 0,55-1,0 0,9-2,0 0,6-1,2 0,65-1,2 0,8-1,9 0,3-1,2 Độ dốc vỉa, độ Đến 25 Đến 20 Đến 20 Đến 20 Đến 20 0-90 Độ kháng cắt của than trong vùng Đến 1,5 Đến 2 Đến 2,5 Đến 3 Đến 2,5 Đến 1,5 không ép trồi, kN/cm Chiều dài lò chợ, m 150 200 Đến 200 Đến 200 200 Đến 200 250 250 300 Tốc độ bào, m/s 0,48 0,65 0,77-1,52 0,77-1,52 1,51 1,33 1,62 2,07 2,44 2,77 3,27 Tốc độ xích máng 0,88 1,125 0,59 0,59 0,53 - cào, m/s Số bộ truyền động 2 2 2 2 2 1 Độ dày dải khấu, m 0,10 0,15 0,07 0,07 0,10 - Sự chất tải hoàn toàn của máng cào sẽ có được khi tỷ lệ tốc độ bào so với tốc độ tải của máng cào là 3:1. Nhưng ở chế độ này, do tốc độ máng cào bị hạn chế bằng một phần ba tốc độ bào, cho nên không thể đạt được năng suất giới hạn tối đa. Khi đó, dòng tải chất lên máng cào gồm có ba lớp, điều này hạn chế việc tăng chiều
40. 38 dày dải khấu. Nếu tốc độ bào không vượt quá tốc độ máng cào, thì chế độ này được gọi là chế độ muộn. Dòng tải chất lên máng cào sẽ có một lớp. Khi đó, tốc độ máng cào được chọn sẽ là tốc độ kỹ thuật cho phép lớn nhất. Còn tốc độ bào được xác định dựa vào độ dày dải khấu và chiều dày vỉa than. Bào than với các dải dày có nhiều ưu điểm. Khi tăng độ dày dải khấu sẽ giảm được tỷ lệ than cám, giảm độ sinh bụi; cho phép giảm tốc độ bào, giảm số lần tắt, bật động cơ, duy trì tải trọng nhỏ cho thiết bị điện; giảm thời gian gián đoạn công nghệ. Các đặc tính kỹ thuật của các thiết bị bào do SNG sản xuất được trình bày trong bảng 3. Độ dày một dải bào hb phụ thuộc vào độ kháng cắt của than, được xác định bằng công thức thực nghiệm: 1 h = ( a - bA - cH ) , m , b 100 et b trong đó: a, b, c - các hệ số thực nghiệm (bảng 4); Aet - độ kháng cắt của than, kN/cm; Hb - chiều cao của lưỡi bào, m. Để xác định độ dày dải bào dựa vào khả năng của máng cào đã chọn hmc cần phải tính tới tiết diện chất tải của máng cào Smc , ứng với tốc độ kéo của xích cào và lưỡi bào, có kể đến chế độ làm việc của lưỡi bào. Bảng 4 Hệ số thực nghiệm Thiết bị bào a b c UST 2A 11,2 0,033 6,60 1USB 67 13,2 0,030 7,00 SO 75 13,0 0,021 6,93 SN 75 13,3 0,023 5,62 USB 14,4 0,024 8,10 Chương 5 : chống giữ lò chợ 5.1. Khái quát chung Chống giữ lò chợ là một trong những quá trình sản xuất chính khi khai thác than hầm lò. Việc chống giữ lò chợ đúng lúc và có chất lượng không những bảo đảm năng suất làm việc của công nhân và máy móc, mà còn nâng cao được tính an toàn. Hiện nay, các tổ hợp vì chống cơ khí hoá cùng với các thiết bị khấu hẹp ngày càng được áp dụng rộng rãi. Song, trong những điều kiện địa chất mỏ phức tạp không thể ứng dụng vì chống cơ khí hoá, cần thiết phải phát triển và hoàn thiện các loại vì chống đơn. Vì chống lò chợ cần phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu về kỹ thuật, sản xuất và kinh tế.
41. 39 Những yêu cầu về kỹ thuật là: độ bền, độ ổn định và độ linh hoạt của vì chống. Những yêu cầu về sản xuất là: bảo đảm hoàn thành tất cả các quá trình sản xuất trong lò chợ và cho một lưu lượng gió cần thiết đi qua với sức cản nhỏ nhất, khối lượng vì chống phải là nhỏ nhất, dễ tháo lắp và dịch chuyển. Những yêu cầu về kinh tế là: giá thành nhỏ, chi phí ít sức lao động khi tháo lắp và vận chuyển, độ tin cậy cao và dùng được lâu. Tính chắc chắn, bền vững và ổn định của vì chống đặc trưng cho khả năng chịu tải của nó, giữ nguyên vị trí ban đầu khi có lực tác dụng. Tải trọng công tác của vì chống thường chỉ bằng 40-70 % tải trọng phá huỷ. Tính linh hoạt của vì chống đặc trưng cho khả năng chịu tải khi có các biến dạng. Dựa vào tính chất này người ta phân biệt vì chống cứng với vì chống linh hoạt. Vì chống cứng không có khả năng biến dạng, kể cả khi bị phá huỷ dưới tải trọng thay đổi, nó nhận toàn bộ tải trọng của áp lực mỏ. Do đó vì chống cứng chỉ thích hợp ở những khu vực có áp lực mỏ ổn định. Vì chống linh hoạt có thể thay đổi kích thước theo chiều cao dưới tác động của áp lực mỏ mà vẫn không mất khả năng chịu lực. Do sự phân bố áp lực mỏ, cũng như sự hạ võng của đá vách trong vùng gương lò chợ không đều, cho nên các vì chống ở đây phải là loại vì linh hoạt. Vì chống linh hoạt một mặt phải bảo vệ vùng gương lò với các ứng lực cần thiết, mặt khác không để cho đá vách trực tiếp ở trong trạng thái ứng suất giới hạn. Theo nguyên lý kết cấu, vì chống lò chợ được chia thành vì chống đơn, vì chống tổ hợp và vì chống di động. Trên hình 11 là bảng phân loại vì chống lò chợ một cách khái quát. Vì chống lò chợ Vì chống đơn Vì tổ hợp Vì di động Vì gần gương Vì phá hoả Vì cơ khí hoá Vì kiểu chắn Vì chắn-đỡ Vì đỡ-chắn Vì kiểu đỡ Giàn chống dẻo Giàn chống cứng Có phân đoạn Không phân đoạn Kiểu đẩy Hình 11: Phân loại vì chống lò chợ Vì chống đơn của lò chợ là loại vì có thể lắp đặt hoặc tháo dỡ từng bộ phận riêng biệt không phụ thuộc vào nhau trong quá trình làm việc. Vì chống gần gương được lắp đặt ở gần gương lò chợ tiếp sau việc khấu than, nhằm giữ đá vách trực tiếp khỏi bị sập đổ.
42. 40 Vì chống phá hoả dùng để điều khiển áp lực mỏ, công dụng chủ yếu của nó là điều hoà sự biến dạng của các lớp đá vách, kể cả vách trực tiếp và vách cơ bản, ngoài ra nó còn phần nào giữ cho vách trực tiếp khỏi bị sập. Vì tổ hợp là loại vì chống có thể di động từng đoạn vì, từng khung chống hay hai khung chống kề nhau có liên kết với nhau theo tiến độ của gương lò chợ, nhưng không có sự liên hệ gì giữa các đoạn vì hay khung chống với thiết bị vận tải và thiết bị khai thác của lò chợ. Vì di động cơ khí hoá là loại vì chống với các đoạn vì có quan hệ khí động học chặt chẽ với nhau trong quá trình tháo lắp và vận hành, đồng thời chúng có liên kết động học với các thiết bị vận tải và khai thác trong lò chợ. 5.2. Vì chống đơn 5.2.1. Vì gần gương Vì gần gương gồm có các cột được bố trí dọc gương lò chợ thành các hàng thẳng và đều đặn. Từ hai đến bốn cột được đặt dưới một xà tạo thành một khung chống. Các thanh xà của vì chống có thể đặt song song hay vuông góc với gương lò chợ. Khi nóc lò chợ có các kẽ nứt thẳng góc với gương lò, thì phải đặt xà song song với gương lò, như vậy mới dễ dàng giữ các tảng đá rời không sập đổ xuống vùng gương lò. Khung chống này được gọi là khung chống dọc (hình 12, a). Nếu nóc lò chợ có các kẽ nứt song song với gương lò, thì phải đặt xà thẳng góc với gương. Khi đó khung chống được gọi là khung chống ngang (hình 12, b). a) b) c) 3 2 1 1 2 1 2 2 2 1 3 d) 3 Hình 12: Vì chống gỗ gần gương a-khung chống dọc; b-khung chống 4 ngang; 1-cột chống; 2-xà; 3-chèn; 4-văng; 5-cột đạp 5
43. 41 Khi dùng khung chống dọc, khoảng cách giữa các hàng khung chống có thể không đủ rộng để bố trí thiết bị và máy móc làm việc ở gương lò do phải xét tới tính ổn định của vách. Cho nên, ở các vỉa dốc thoải thường sử dụng khung chống ngang. ở các lò chợ dốc nghiêng và dốc đứng người ta thường sử dụng các khung chống dọc, vì chúng có các đầu xà tỳ sát vào nhau, hợp thành một tuyến liên tục dọc gương lò chợ, chúng sẽ khó bị đổ hoặc trôi trượt. Khi đá vách không ổn định và nứt nẻ nhiều, vì chống chỉ gồm có các cột và xà sẽ không đảm nhận được việc chống giữ, bởi lẽ ở giữa các khung chống có một khoảng vách không được chống giữ và đá vách có thể rơi xuống. Trong trường hợp này, vì chống được tăng cường bằng các thanh chèn làm bằng gỗ ván, gỗ bìa hoặc gỗ tròn đường kính nhỏ, chèn giữa vách và xà (hình 12, c). Khi vách không ổn định, mà việc khấu than ở gương lò chợ lại được tiến hành bằng khoan nổ mìn, các vì chống gần gương rất dẽ bị đổ lật. Cho nên, khi đó các khung chống còn được tăng cường thêm bằng văng và cột đạp (hình 12, d). Văng là những đoạn gỗ tròn, được đặt vuông góc giữa hai thanh xà gần nhau, để giằng chúng với nhau thành một khối. Cột đạp được đặt chéo giữa hai hàng khung chống, đầu cột tì vào xà của khung chống cần tăng sức, chân cột tựa vào chân của cột khung kề bên. Khi cả trụ cũng là các loại đá không ổn định, có xu hướng trượt, thì sẽ có thêm dầm nền tham gia vào kết cấu của vì chống. Dầm nền được đặt dưới các chân cột của vì chống, tạo thành một khung chống đầy đủ. Khoảng cách theo phương giữa các hàng cột chống cần đủ rộng để đi lại và được tính theo các kích thước của máy móc và thiết bị, thường là 0,81,2 m. Khoảng cách giữa các hàng cột chống theo chiều dốc của vỉa phụ thuộc vào tính ổn định của đá vách và đá trụ, trị số của áp lực mỏ, đồng thời cũng cần đủ để đi lại. Đá càng yếu khoảng cách này càng nhỏ, thường nó khoảng 0,8-1,2 m. Khi đá vách và trụ ổn định, cột được đặt thẳng góc với chúng. Nếu vách có hiện tượng trượt, đầu cột phía vách không được đóng đến vị trí hoàn toàn đạp vào vách. Như vậy, vách trượt sẽ kéo theo đầu trên của cột và nêm cột. Tương tự như vậy, đối với trường hợp trụ trượt, đầu cột phía trụ cũng không được đóng đến vị trí hoàn toàn đạp vào trụ (hình 13). a) b) Hình 13: Dựng cột chống ở vỉa dốc đứng a- khi đá vách trượt; b- khi đá trụ trượt
44. 42 Tuỳ theo loại vật liệu được dùng, vì gần gương có thể được làm bằng gỗ hoặc thép. Thời gian gần đây đã bắt đầu sử dụng một số vật liệu mới như polyme, compozit v.v Do có nhiều ưu điểm vượt trội là dễ tháo lắp, bền hơn và có đặc tính công tác tốt hơn, vì chống thép ngày càng được dùng nhiều hơn so với vì chống gỗ. Dùng vì chống thép sẽ giảm được mật độ vì chống và nâng cao mức độ an toàn lao động trong lò chợ. Dùng vì chống gỗ sẽ làm tăng chi phí vật liệu chống lò do khó sử dụng lại các vì chống cũ, đồng thời làm giảm năng suất lao động do khối lượng các công tác lò chợ tăng lên. Song tất nhiên, trong một số điều kiện địa chất nhất định lại chỉ dùng được vì chống gỗ. Thí dụ, khi khai thác các vỉa dốc thoải có chiều dày thay đổi theo phương hoặc theo chiều dốc; các vỉa có cấu tạo phức tạp, khi phải loại bỏ đá kẹp vào khoảng trống đã khai thác của lò chợ, mà như vậy sẽ cản trở việc tháo và di chuyển vì chống thép; khi vỉa có vách không ổn định và trụ yếu làm tăng tổn thất vì chống thép; các vỉa có chiều dày lớn hơn 2,2-2,5 m. Khi khai thác các vỉa nghiêng-đứng và dốc đứng, chủ yếu phải dùng vì chống gỗ, vì khi đó các vì chống thép tỏ ra kém hiệu quả. Vì chống thép gần gương gồm có các cột chống thép và các xà thép có khớp nối bản lề. Cũng có thể dùng vì chống hỗn hợp gồm các cột thép và xà gỗ. Theo đặc tính công tác, cột chống thép được chia thành loại cứng và loại linh hoạt (hình 14). Đường đặc tính I ứng với loại cột cứng . Độ biến dạng không đáng kể của các cột chống cứng chính là sự biến dạng đàn hồi của vật liệu làm cột. Độ biến dạng này không có ý nghĩa thực tế và không đủ để giữ cho cột khỏi gãy. Do đó các cột thép loại cứng không được sử dụng trong lò chợ. P, kN I II III IV l, mm Hình 14: Đặc tính của cột chống thép I - cột chống cứng; II- cột có tải trọng tăng nhanh; III - cột có tải trọng tăng chậm ; IV - cột có tải trọng không đổi
45. 43 Các đường đặc tính II, III và IV ứng với các loại cột chống linh hoạt. Đường II là đặc tính của cột có tải trọng tăng nhanh. Tải trọng ban đầu của loại cột này không lớn. Khi độ võng của đá vách tăng lên, sự biến dạng của cột cũng tăng và tải trọng của nó nhanh chóng đạt giá trị tải trọng công tác định mức. Đường III ứng với các cột có tải trọng tăng chậm. Hoàn chỉnh nhất là đường đặc tính IV của các cột P có tải trọng không đổi. Ưu điểm của loại cột này là tải 1 trọng ban đầu cao, tương đối gần với tải trọng công tác định mức, nhờ đó việc chống giữ đá vách trong lò chợ đạt hiệu quả cao hơn. F F Theo nguyên tắc chế tạo, các cột chống thép được chia thành cột ma sát và cột thuỷ lực. N N Nguyên tắc làm việc của cột ma sát là: lõi cột 1 (hình 15) được lồng vào vỏ cột 2, phần trên của vỏ cột có 3 cơ cấu khoá ma sát 3, nhờ nó mà sinh ra lực đẩy ngang N, 2 hướng thẳng góc vào trục của lõi cột. Nhờ tác dụng của áp lực mỏ P, xuất hiện lực ma sát F giữa lõi và ổ khoá ma sát của cột, lực này tỷ lệ với lực đẩy ngang N, hệ số ma sát và số mặt ma sát. Hình 15 Khi áp lực P lớn hơn lực ma sát F, lõi cột sẽ trượt theo cơ cấu khoá, đi vào vỏ cột (cột lún xuống). Nếu lõi cột có hình nêm, cột sẽ có tải trọng gia tăng, vì khi nó bị lún dần bởi áp lực P, sẽ bị kẹt lại và làm tăng lực đẩy ngang N và lực ma sát F. Tuỳ theo góc nghiêng của mặt lõi cột, đặc tính của cột thay đổi từ loại có tải trọng tăng nhanh đến loại có tải trọng không đổi. a) b) c) d) Hình 16: Các cột chống thép: a, b và d - các cột ma sát ; c - cột thuỷ lực
46. 44 Thí dụ, nếu mặt nghiêng của lõi cột là 1/100-1/250, thì cột có tải trọng tăng nhanh; khi độ nghiêng là 1/250-1/1000, thì cột có tải trọng tăng chậm; khi các mặt của lõi cột song song với nhau, thì cột có tải trọng không đổi. Cột ma sát được chế tạo với các kích thước khác nhau để có thể dùng được ở các vỉa có chiều dày khác nhau. Cấu tạo của các cột ma sát cũng khác nhau, do đó để sử dụng chúng một cách hợp lý cần phải tính chọn cho từng trường hợp cụ thể. Trên hình 16 giới thiệu một số loại cột ma sát điển hình. Cột ma sát với tải trọng không đổi khó giữ được đặc tính cho trước. Đó là việc chế tạo cột không được đồng nhất và do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài khi sử dụng như độ ẩm, bụi Vì vậy, loại cột có triển vọng nhất là cột thuỷ lực. Nó giữ được tốt đặc tính cho trước với một tải trọng ban đầu cao, nó dễ dàng được tháo lắp khi đang mang tải. Theo nguyên tắc cung cấp dung dịch công tác, các cột chống thuỷ lực được chia thành cột cấp dầu trong và cột cấp dầu ngoài. Hình 17 là sơ đồ nguyên lý của cột thuỷ lực cấp dầu trong. Cột gồm vỏ cột 1 hình trụ tròn (xilanh), lõi cột 2 đóng vai trò pístông, hệ thống van và các cơ cấu phụ. Khoảng rỗng trong lõi cột được dùng làm bình chứa dầu. Nguyên tắc làm việc của loại cột này là: khi đặt cột, người ta đẩy cột sơ bộ bằng bơm tay nhờ tay quay 3, trục truyền 4 và cán 5 , pistông 6 chuyển động và đưa dầu từ bình chứa vào khoảng trống giữa pistông 9, đáy cột 10 và thành của vỏ cột qua hệ thống van hút 7 và van đẩy 8. áp lực dầu đạt tới 8-10 MPa, tải trọng ban đầu đạt 70-100 kN. Dưới tác động của áp lực mỏ, pistông 9 sẽ nén dầu đến trị số tính toán (khoảng 25-35 MPa), sau đó van bảo vệ 11 sẽ hoạt động và một phần dầu tràn vào bình chứa 12. Cột biến dạng được là do một phần dầu tràn về bình chứa. Tải trọng công tác khi cột thuỷ lực bắt đầu biến dạng là 200-300 kN. Việc tháo dỡ cột được thực hiện bằng van 13, thanh đẩy 14, đĩa lệch tâm 15 và tay điều khiển 16. Hình 17 Mấy năm gần đây, ở các mỏ than hầm lò Việt Nam sử dụng khá rộng rãi các cột thuỷ lực cấp dầu ngoài do Trung Quốc chế tạo. Nhìn chung, so với cột thuỷ lực cấp dầu trong, loại cột cấp dầu ngoài có ưu điểm cơ bản là cấu tạo đơn giản hơn, cho nên giá thành rẻ hơn. Bên cạnh đó dung dịch công tác là dầu thuỷ lực đắt tiền được thay thế bằng hỗn hợp nhũ tương đỡ tốn kém hơn. Tuy nhiên, khi sử dụng loại cột cấp dầu ngoài, cần phải trang bị thêm cho lò chợ trạm bơm dầu cao áp, bình pha trộn dung dịch nhũ tương, hệ thống ống dẫn và dụng cụ nạp dầu cho cột. Trạm bơm dầu được bố trí trong lò chuẩn bị, bên ngoài lò