1. Đặt vấn đề

Theo đánh giá tổng hợp điều kiện địa chất kỹ thuật trữ lượng vùng than Quảng Ninh có khoảng hơn 3,6 tỷ tấn, trong đó trữ lượng than thuộc các vỉa dốc đứng chiếm hơn 30%. Tại khoáng sàng than Mạo Khê, các vỉa dốc đứng chiếm một tỷ lệ đáng kể 47,5% trữ lượng, trong đó 49% là các vỉa dày trung bình.

Tại khoáng sàng than Vàng Danh, các vỉa dốc 45⁰ ÷ 85⁰ chiếm tới 38% trữ lượng mỏ. Để khai thác các vỉa than đốc đứng trước đây thường áp dụng công nghệ khai thác buồng - lò thượng, công nghệ khai thác giàn chống cứng. Các hệ thống khai thác này không hiệu quả về kinh tế, mức độ an toàn không cao và do điều kiện địa chất phức tạp hệ thống giàn chống cứng không di chuyển được hoặc gây mất an toàn khi xử lý giàn nghiêng [1,4].

Hiện nay các vỉa than dốc đứng đang được khai thác chủ yếu bằng hai hệ thống: hệ thống khai thác chia lớp ngang nghiêng cho vỉa dầy và hệ thống khai thác dọc vỉa phân tầng cho vỉa mỏng đến dầy trung bình.

Cũng như hệ thống khai thác buồng - lò thượng, giàn chống cứng, hệ thống khai thác chia lớp ngang nghiêng và hệ thống khai thác phá nổ phân tầng có mức độ cơ giới hóa thấp, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chưa cao, cho nên việc nghiên cứu và lựa chọn công nghệ khai thác đảm bảo yêu cầu về mặt kinh tế và kỹ thuật để khai thác các vỉa dốc đứng ở vùng than Quảng Ninh là rất cần thiết.

Những năm gần đây, đã sử dụng giàn chống thủy lực tự hành và máy khấu vào khai thác các vỉa than mỏng đến dầy trung bình dốc đứng theo hệ thống khai thác cột dài theo chiều dốc [2,3]. Có thể nói việc cơ giới hóa khai thác than các vỉa mỏng đến dầy trung bình theo hệ thống khai thác cột dài theo chiều dốc đã có những thành công nhất định. Tuy vậy, cần quan tâm nghiên cứu một số vấn đề sau:

2. Vấn đề về áp lực mỏ

Áp lực lò chợ nói chung, đối với lò chợ vỉa dốc đứng nói riêng phụ thuộc vào các yếu tố sản trạng của vỉa, tính chất của đất đá bao quanh vỉa và công nghệ, thiết bị khai thác sử dụng.

Khi khai thác vỉa dốc, chiếu dầy vỉa mỏng đến dầy trung bình, áp dụng hệ thống khai thác cột dài theo hướng dốc, sử dụng thiết bị bào than và chống giữ lò chợ bằng vì chống cơ giới hóa, bản chất của hình thức khai thác này tương tự hệ thống khai thác dàn chống cứng.

Về nguyên tắc áp lực lò chợ là do chiều cao cột đá sập đổ sau không gian khai thác và lực nén của đá vách (và đá trụ khi vỉa dốc 90⁰) trực tiếp (nếu không xét đến sự dịch chuyển của đất đá vách và trụ vỉa). Vì chống phải tính toán sao cho đảm bảo chống được khối đất đá sập lở sau lò chợ và sức nén của đá vách, và đá trụ trực tiếp (khi vỉa dốc 90⁰).

2.1. Áp lực mỏ do khối đất đá phá hỏa phía sau lò chợ gây nên

Khi khai thác lộ vách, lộ trụ vỉa, đất đá vách, đất đá trụ vỉa sẽ bị sập đổ lấp đầy khoảng trống sau lò chợ. Tổng chiều dầy vách, trụ sụp lở có chiều dầy từ 4 ÷ 10 lần chiều dầy lớp khấu, đất đá sụp lở có dạng hạt, bở rời tuân theo các tính chất cơ học môi trường hạt. Khối đá sập lở này phân làm hai thành phần là áp lực tiếp tuyến và áp lực pháp tuyến. Khi góc dốc vỉa α < 90⁰ thì luôn phát sinh áp lực pháp tuyến.

Áp lực pháp tuyến là áp lực khối đất đá bở rời tác dụng theo phương vuông góc với mặt phẳng đá trụ, còn áp lực tiếp tuyến là áp lực có phương theo độ dốc của vỉa. Khi góc dốc vỉa α = 90⁰ thì chỉ có áp lực tiếp tuyến tác dụng vào lò chợ. Chính thành phần áp lực tiếp tuyến là áp lực tác dụng vào các vì chống lò chợ.

Áp lực của đất đá phía sau lò chợ lên vì chống lò chợ được tính theo công thức:

(T/m2).

Trong đó:

γ- Tỷ trọng đất đá phá hỏa phía trên vì chống, (T/m³).

m- Chiều dầy của vỉa, (m).

α- Góc dốc của vỉa, (độ).

f₁- Hệ số ma sát của đất đá phá hỏa.

ξ- Hệ số tính đến áp lực hông.

Như vậy, áp lực của đất đá phía sau lò chợ lên vì chống phụ thuộc:

- γ- Tỷ trọng đất đá phá hỏa phía trên vì chống: Đất đá phá hỏa có thể có nhiều thành phần do đá vách, đá trụ (khi vỉa dốc 90 độ) và cả than khi vỉa dầy để lại lớp than sát vách, vì vậy cần xác định tỷ trọng đất đá phá hỏa phía trên vì chống một cách khách quan.

- α- góc dốc của vỉa: Khi góc dốc của vỉa càng lớn và đạt giá trị max = 90⁰ thì áp lực là lớn nhất.   (T/m²).

-f₁- Hệ số ma sát của đất đá phá hỏa: Khi cột đất đá phía trên vì chống bị sức hút trọng trường, đất đá có xu hướng tụt xuống phía dưới gây nên áp lực. Hệ số ma sát thực chất phát sinh khi hai khối đất đá trượt lên nhau. Khối đất đá ổn định (đứng yên tương đối) là khối nằm trong giới hạn của góc nội ma sát, khối đất đá trượt xuống là khối gây lên áp lực mỏ. Hai khối này phát sinh lực ma sát có xu hướng cản trở sự dịch chuyển của khối đất đá trượt xuống. Do đất đá phá hỏa có thể có nhiều thành phần do đá vách, đá trụ (khi vỉa dốc 90 độ) và cả than khi vỉa dầy để lại lớp than sát vách, vì vậy xác định hệ số ma sát là lĩnh vực khó khăn thường được xác định bằng thực nghiệm.

ξ- Hệ số tính đến áp lực hông: hay còn gọi là hệ số đẩy ngang sinh ra do khối đá vách hoặc đá trụ nén ép vào khối đất đá phá hỏa phía sau lò chợ. 

Áp lực của khối đất đá phía sau lò chợ tăng lên theo chiều dài lò chợ theo hướng dốc. Khi các vì chống ở phía trên gần với lò dọc vỉa thông gió thì chiều cao cột đất đá phá hỏa chưa lớn, áp lực nhỏ. Khi lò chợ dịch chuyển dần đến gần lò dọc vỉa vận tải, cột đất đá phá hỏa tăng dần về chiều cao dẫn đến áp lực tăng. Áp lực chỉ tăng đến một giới hạn nhất định nào đó thì dần ổn định, mức độ biến động không lớn do lực ma sát của đất đá triệt tiêu (cân bằng) với trọng lượng khối đất đá trượt. Vì vậy, xác định áp lực lớn nhất do khối đất đá phá hỏa phía sau lò chợ gây nên cũng là lĩnh vực khó, từ đó tính toán chiều dài lò chợ theo chiều dốc hợp lý để vì chống đủ khả năng chịu tải, đảm bảo an toàn cho lò chợ.

2.2. Áp lực mỏ do đá vách trực tiếp gây nên

Khi khai thác lộ đá vách, do tác động của lực hút trọng trường đá vách có xu hướng võng xuống và sập đổ khi đạt một giới hạn nhất định. Tại gương khai thác chống đỡ đá vách bằng dàn chống thủy lực, áp lực đá vách tác dụng vào dàn chống theo phương pháp tuyến gây nên lực nén các cột của dàn. Áp lực mỏ do đá vách trực tiếp gây nên tác dụng vào giàn chống được tính:

 (Tấn).

Trong đó:

H₁- Chiều dầy lớp đá vách sập đổ, (m).  (m)

m- Chiều dầy lớp khấu (m)

K- Hệ số nở rời của đá vách

γ_tt- Trọng lượng thể tích đấ vách trực tiếp, (T/m³)

α- Góc dốc trung bình của vỉa, (độ)

L_lc- Chiều rộng lớn nhất của lò chợ, (m)

L_sđ- Bước sập đổ của đá vách trực tiếp, (m). , (m).

H_đ- Chiều dầy phân lớp dưới cùng của vách trực tiếp, (m)

δ_u- Giới hạn bền uốn của đá vách trực tiếp, (KG/cm²)

a₂- Khoảng cách giữa các dàn chống, (m)

P_R- Lực chống cần thiết ban đầu của dàn chống, (T). P_R= n.q.a₂, (T)

n- hệ số dự trữ

q- Tải trọng phân lớp dưới cùng của đá vách trực tiếp dễ sập đổ, (T/m²)

        Khi góc dốc α của vỉa lớn, Cosα nhỏ và đạt giá trị bằng không khi α = 90⁰ (vỉa dốc đứng).

Trong thực tế tải trọng làm việc thiết kế của các giàn chống thường rất lớn, căn cứ tải trọng của đá vách để lựa chọn dàn chống phù hợp.

3. Vấn đề chống giữ lò chợ

Lựa chọn vì chống lò chợ phù hợp trên cơ sở áp lực mỏ tính toán được, vì chống phải đủ khả năng chống đỡ được áp lực của khối đất đá phía sau lò chợ và áp lực của đá vách. Hiện nay, tại các nước Đông Âu đã chế tạo và đưa vào sử dụng 3 loại tổ hợp thiết bị khai thác cơ giới hóa của sơ đồ hÖ thống khai thác cột dài theo hướng dốc cho điều kiện vỉa mỏng đến dầy trung bình dốc đứng là 1ASHMG, 1ANSH và 2ANSH (S¬ ®å hÖ thèng khai th¸c 2ANSH ®­îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1).

Dưới tác dụng của áp lực do khối đất đá phía sau lò chợ gây nên nén ép vào giàn, giàn chống có xu hướng truợt theo trụ vỉa xuống gương lò chợ. Áp lực nén dọc theo các bản dầm nền và tấm xà, tỳ vào gương than. Các tấm dầm nền và tấm xà thường chế tạo có cường độ chịu nén rất lớn đủ độ bền nén cũng như độ bền uốn. Để giàn chống ổn định không bị trượt xuống, ngoài việc tấm xà và bản dầm nền tỳ vào gương than còn có sự tham gia của lực ma sát giữa đá trụ với bản dầm nền và đá vách với tấm xà. Lực ma sát được tính:

      F_ms = F_msv + F_mst = k_v.R + k_t.R, (KN).

Trong đó:

F_ms- Lực ma sát sinh ra có tác dụng chống lại tác dụng của áp lực khối đất đá phá hỏa, (KN)

Hình 1: Sơ đồ hệ thống khai thác 2ANSH

Hộ chiếu chống dữ lò chợ bằng tổ hợp giàn chống 2ANSH được thể hiện trong hình 2

Hinh 2: Hộ chiếu chống dữ lò chợ bằng tổ hợp giàn chống 2ANSH 

F_msv- Lực ma sát sinh ra do tấm xà tiếp xúc với đá vách vỉa, (KN).

F_mst- Lực ma sát sinh ra do bản dầm nền tiếp xúc với đá trụ, (KN).

k_v- Hệ số ma sát giữa tấm xà tiếp xúc với đá vách vỉa.

k_t- Hệ số ma sát giữa bản dầm nền tiếp xúc với đá trụ.

R-Áp lực của đá vách tác dụng vào giàn chống, tấn.

Như vậy cần xác định hệ số ma sát giữa đá trụ với bản dầm nền và đá vách với  tấm xà. Hệ số ma sát là giá trị luôn nhỏ hơn 1 phụ thuộc vào tính chất đá vách, đá trụ. Trong thực tế dưới tác dụng của áp lực đá vách và lực chống trước của giàn thì lực ma sát tương đối lớn, đặc biệt đối với đá vách, đá trụ mềm yếu do tấm xà và bản dầm nền lún sâu vào đá vách, đá trụ thì lực ma sát càng tăng lên.

Đối với đá trụ và đá vách cứng vững, hệ số ma sát giữa tấm xà tiếp xúc với đá vách và bản dầm nền tiếp xúc với đá trụ nhỏ để tăng lực ma sát giúp giàn chống ổn định có thể tăng lực chống trước cho các giàn chống.

4. Kết luận

Việc nghiên cứu áp dụng công nghệ khai thác cơ giới hóa theo hệ thống khai thác cột dài theo hướng dốc cho điều kiện vỉa mỏng đến dầy trung bình dốc đứng là cần thiết do trữ lượng của các vỉa than này tương đối lớn, từ trước tới nay có thể nói chưa có công nghệ khai thác mang lại hiệu quả kinh tế cao, khai thác triệt để tài nguyên, đảm bảo an toàn lao động. Thời gian gần đây một số mỏ than đã áp dụng công nghệ khai thác này và bước đầu mang lại hiệu quả nhất định. Tuy nhiên cần nghiên cứu một cách khoa học đối với từng vỉa theo nội dung các vấn đề nêu trên để lựa chọn tổ hợp thiết bị hợp lý, tránh được các rủi ro, tổn thất kinh tế.

Tài liệu tham khảo

 [1]. Le Nhu Hung. Proceedings of ' 99 International Workshop on Underground Thich-Seam Mining.

[2]. Le Nhu Hung, Vo Trong Hung Sep 1995 Research of Priding the  Analysis and determination of the fully mechanized top - caving technology. Hanoi - 2004.

[3]. Le Nhu Hung. 1995. Estimate the situation of the Mineral Resources Exploitation and It’s Impacts on the Environment in some Main Arias.

Report of Research theme KT-02-11.

[4] - Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam giai đoạn 2006 - 2015, có xét triển vọng đến năm 2025.

Ths. Hoàng Hùng Thắng - Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
Ths. Bùi Đình Thanh - Công ty TNHH MTV Than Quang Hanh - Vinacomin
KS. Vũ Trọng Hiệt - Công ty Cổ phần Xi măng và Xây dựng Quảng Ninh

Kỳ tới, NangluongVietnam.vn sẽ chuyển đến bạn đọc bài viết với nội dung: "Các giải pháp công nghệ xử lí giếng nhằm nâng cao hệ số thu hồi dầu ở giai đoạn khai thác cuối cùng của mỏ Bạch Hổ"