Giải pháp vận tải than mới tại các mỏ lộ thiên

HOÀNG LÂN TRUNG

Mới đây, Công ty ThyssenKrupp Fordertechnik - TKF (Đức) đã thiết kế và đưa vào áp dụng thử nghiệm một hệ thống cho phép vận chuyển đất đá thải và quặng hiệu quả và gây ảnh hưởng đến môi trường ở mức độ thấp, trong đó, kết hợp hệ thống chế biến và vận chuyển quặng mà không sử dụng xe tải hạng nặng tại các mỏ khai thác lộ thiên, đặc biệt là đối với các loại quặng đồng, sắt và vàng. 

Một cách tổng quát, đây là một hệ thống vận chuyển điều khiển bằng cáp với hai thùng cũi (skip) chạy trên đường ray từ trạm chất tải dưới moong tới trạm nghiền sơ bộ trên bờ mỏ. Với độ dốc lên tới 750, đây được xem là cung đường vận chuyển ngắn nhất lên bờ mỏ. Hệ thống có kết cấu như một máy nâng hàng, gồm hai ray song song, một cho skip có tải di chuyển lên và một cho skip không tải chạy xuống đáy moong. Các skip được kết nối thông qua hệ thống cáp, puli và một hệ thống dẫn động bằng puli kéo đặt trên bờ mỏ, sao cho trọng lượng không tải của các skip luôn được cân bằng và loại bỏ công suất nâng không cần thiết.

Phương pháp vận tải truyền thống tại mỏ lộ thiên 

Mỏ Grasberg thuộc Tập đoàn khai thác Freeport McMoRan Copper & Gold tại Indonesia là mỏ lộ thiên điển hình, với bờ mỏ dốc đứng và hệ thống đường vận tải quanh co. Là một trong những mỏ đồng – vàng lớn nhất thế giới, mỏ Grasberg khai thác và chế biến khoảng 220.000 tấn/ngày bằng hệ thống máy xúc và ôtô tải, với tốc độ khoảng 15-20km/giờ, vận chuyển quặng và đất đá thải trên hệ thống đường có độ dốc 9%. Sau khi đổ tải tại trạm nghiền hoặc khu vực bãi thải, các xe không tải quay trở lại đáy moong theo tuyến đường riêng. Một chu trình xe như vậy thường kéo dài từ 20 đến 40 phút.

Mỏ Grasberg vận hành đồng thời sáu hệ thống nghiền với ba máy nghiền li tâm được coi là lớn nhất thế giới do TKF cung cấp (83 x 114 insơ – 1 insơ = 2,54cm). Đội xe 220 chiếc của mỏ dùng để vận chuyển quặng và đất đá thải với tải trọng từ 240 tấn đến 400 tấn. 

Trên thế giới, các mỏ lộ thiên ngày càng xuống sâu, cung độ vận chuyển ngày càng lớn. Vì vậy, các công ty khai thác thường có xu hướng sử dụng loại xe tải có tải trọng cao, lên tới 400 tấn, nhằm giảm bớt số lượng xe, vốn đầu tư, chi phí lao động và chi phí vận hành. Những xe tải như vậy thường có trọng lượng không tải khoảng 260 tấn với công suất động cơ diezen lên tới 3000kW.

Giải pháp của TKF

Với chi phí nhiên liệu tăng cao và những quy định nghiêm ngặt về tác động môi trường do các hoạt động khai thác mỏ gây ra nên TKF đã triển khai một hệ thống vận chuyển quặng và đất đá thải từ đáy moong hay tầng trung gian lên trạm nghiền tại bờ mỏ. Hệ thống này cũng có thể kết nối với các hệ thống băng tải dùng để vận chuyển quặng và đất đá thải. 

Để tiện cho việc so sánh về mặt kỹ thuật và kinh tế, giả thiết bờ mỏ có độ dốc 450-550, chiều dài thẳng đứng để vận chuyển quặng hoặc đất đá thải từ đáy moong hay tầng trung gian lên trạm nghiền là 200m.

Hệ thống vận tải này bao gồm một trạm chất tải tại đáy moong, hai thùng cũi (skip) dịch chuyển theo hướng ngược nhau trên một hệ thống đường dây cáp, mỗi skip có tải trọng 136 tấn. Trạm nghiền được bố trí trên bờ mỏ, bao gồm một tháp nâng và thiết bị dỡ tải. Hệ thống dẫn động cáp bằng cơ và điện.

Trong kịch bản này, các xe tải chạy qua lại trên các quãng đường ngắn, giữa các điểm chất tải và trạm cấp liệu băng tải – skip. Các skip được thiết kế sao cho nhận được đầy tải trọng của xe, thêm 10% sai số. Tải trọng động do tác động của đất đá và những yếu tố khác gây ra được các skip hấp thụ trong quá trình treo lơ lửng trên hệ thống cáp, trong khi những ảnh hưởng đối với nắp cửa tháo skip được giảm bớt nhờ các bộ đệm sử dụng bánh hơi cố định. Trung khi các skip chất tải, độ võng của cáp trên quãng đường vận chuyển giảm và cáp chịu thêm độ độ giãn. 

Sau khi được chất tải, skip được tời nâng cáp kéo lên theo đường ray, theo đường dốc đứng 200m, đồng thời skip còn lại chuyển động xuống trạm chất tải dưới đáy moong. Khi tới bờ mỏ, skip có tải chuyển động tới vị trí dỡ tải của trạm nghiền theo chế độ thời gian trễ đã định sẵn. Đồng thời, skip không tải cũng tới được vị trí chất tải ở phía dưới. Tháp nâng skip cùng với puli cáp và kết cấu khung thép là một phần trong hệ thống trạm nghiền li tâm cố định hoặc bán di động với một phễu cấp liệu, máy nghiền và băng chuyền dỡ tải.
Khi skip di chuyển đến vị trí băng truyền cao nhất phía trên phễu cấp liệu của máy nghiền, nắp cửa tháo mở tự động hoặc bằng điều khiển từ xa. Quá trình tháo quặng vào phễu diễn ra khoảng 25 giây.

Trạm nghiền cũng bao gồm một hệ thống chất tải lên xe tải, một cần trục dùng cho việc bảo dưỡng và một máy nghiền thủy lực để nghiền quặng quá cỡ, một băng chuyền dỡ tải phía dưới máy nghiền li tâm liên tục cấp liệu cho hệ thống băng tải chuyển đi.

Hệ thống truyền động bằng cáp

Hệ thống truyền động bằng cáp được bố trí tại một trạm riêng biệt, cách trạm nghiền và bờ mỏ khoảng 30m. Chiều cao toàn bộ của trạm nghiền, kể cả tháp nâng là 50m, tương đối cao nhưng không bất thường. Để so sánh, có thể thấy ba máy nghiền công suất 10.000 tấn giờ do TKF cung cấp cho mỏ Grasberg cũng có độ cao 47m, xấp xỉ với chiều cao của hệ thống máy nghiền – skip giới thiệu trên đây.

Để giảm tải trọng cáp và hạn chế các mômen truyền động, mỗi skip được treo lơ lửng trên một máy nâng. Trong ví dụ này, với mỗi skip, sử dụng cáp có đường kính 54mm và chạy trên sáu puli có đường kính 4320mm. Hai đầu cáp được chốt chắc chắn tại tháp nâng nhờ hệ thống bù chiều dài có thể điều chỉnh. Cáp được dẫn từ tời nâng cáp trong tháp nâng, chạy qua một puli chia hướng trong trạm truyền động  và tiếp tục được dẫn qua hai puli chủ động hai rãnh và qua tiếp một puli chia hướng để tới tời nâng cáp thứ hai. 

Mỗi hệ truyền động gồm có một động cơ không đồng bộ tần số thay đổi, một bộ phanh đĩa, một bộ bánh răng nghiêng, một khớp trục linh hoạt và một puli cáp hai rãnh được ghép với trục truyền động.

Đường kính của cáp và các puli kéo được xác định theo tiêu chuẩn khai thác mỏ của Đức TAS, đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật đối với giếng mỏ và hệ thống vận chuyển nghiêng. Điều này yêu cầu hệ số của đường kính puli và đường kính cáp phải lớn hơn hoặc bằng 80, vì vậy, TKF đã chọn puli có đường kính 4320mm và cáp có đường kính 54mm. Hệ số an toàn (SF) của cáp lớn hơn 7. Ngoài ra, mỗi puli kéo đều được lắp các phanh an toàn hoặc phanh ngắt.

Thiết kế skip

Trong ví dụ này, skip được thiết kế cho xe tải có tải trọng 136 tấn, tương đương 75m3, có chiều rộng 4m, dài 13m và cao 5m. Skip có công suất thiết kế 90m3 và cần có một trọng lượng không tải khoảng 90 tấn để bảo đảm sự truyền tải điện trong hệ thống truyền động cáp.

Quặng được cấp lên skip qua lỗ cửa phí dưới hệ thống puli cáp. Khi skip di chuyển vào trạm dỡ tải, các nắp tháo tự động mở. Các skip đều có một cơ cấu khóa ở bên cạnh để khóa và mở các nắp tháo. Khi skip đến vị trí băng truyền cao nhất, nắp tháo sẽ không bị khóa bởi một cơ cấu bên ngoài và sau đó được mở nhờ một giá đỡ thủy lực với các con lăn. Sau khi skip dỡ tải và di chuyển xuống, các nắp tháo được đóng lại nhờ giá đỡ và chúng được khóa chốt lại.

Tóm lại, trong một chu trình vận hành từ điểm chất tải và đến điểm dỡ tải trên đường dốc đứng 200m với góc dốc 450 – 550, các skip phải vượt qua một khoảng cách tổng cộng 285m. Với tốc độ cáp tối đa khoảng 11m/giây và luồn qua sáu puli, tốc độ của skip là 1,9m/giây (khoảng 6,9km/giờ), mỗi lần chất tải và dỡ tải cần 25 giây, mỗi lần tăng tốc và giảm tốc cần 5 giây. Như vậy, toàn bộ chu trình vận hành cần 3 phút (180 giây).

So sánh kinh tế

Sử dụng hai động cơ dẫn động công suất 1.300kW, hệ thống truyền động và cáp được thiết kế cho 20 chu trình/giờ với công suất vận chuyển 2.720 tấn/giờ. Có thể giả thiết rằng, thiết kế này có khả năng vận chuyển hơn 2000 tấn quặng hoặc đất đá thải trong một giờ.

Để vận chuyển 2000 tấn quặng này, với phương án sử dụng xe tải thì cần 7 xe tải, mỗi xe có tải trọng 136 tấn và phải vượt qua cung độ 2 x 2.500m với góc dốc 8% (4,60). Hiệu quả vận tải của xe chỉ đạt 37%, tỷ số giữa khối lượng vận chuyển và trọng lượng xe là 1,2:1.

Trái lại, với hệ thống skip, trọng lượng không tải của các skip hoàn toàn cân bằng nhau, vì vậy, hệ thống truyền động không phải sử dụng thêm năng lượng bổ sung để vận chuyển các skip không tải. Một so sánh về tiêu hao năng lượng cho thấy, đội xe tải  gồm 7 xe cần 7.574kW (7 x 1.082kW), gần gấp 3 lần so với hệ thống vận tải sử dụng skip (2.600kW).

So sánh về nhân công cho thấy, ngoài số lượng công nhân vận hành và bảo dưỡng máy nghiền, cần có từ 20 đến 25 lái xe tải cho các ca làm việc trong ngày, ngoài ra, còn cần một lái xe tưới đương và một lái xe san gạt. Trong khi đó, do được tự động hóa hoàn toàn, hệ thống vận tải sử dụng skip không yêu cầu về lao động, vì vậy tiết kiệm được chi phí cho 27 nhân công.

Một ưu điểm đáng kể khác của hệ thống này là lượng phát thải khí CO2 thấp hơn. Theo tính toán, để vận chuyển được 2000 tấn quặng/giờ, hệ thống vận tải sử dụng skip của TKF sẽ giúp giảm bớt được một lượng CO2 phát thải vào khoảng 29 tấn/ngày.

Ưu điểm về tài chính

So sánh với hệ thống vận tải bằng xe tải, hệ thống vận tải bằng skip – băng tải có những ưu điểm về kinh tế như sau: 

- Tiết kiệm chi phí vận tải tới 50%;
- Tiết kiệm năng lượng;
- Trạm nghiền có thể đặt trên bờ mỏ hoặc trên tầng trung gian;
- Cắt giảm đáng kể lượng phát thải khí CO2 do giảm lượng xe tải.

Ngoài ra, hệ thống vận tải bằng skip - băng tải cũng cho thấy những ưu điểm về giảm thải ô nhiễm bụi và tiếng ồn, khả năng vận chuyển cao hơn trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mưa lầy, sương mù hay tuyết rơi.

TKF hy vọng rằng, các mỏ lộ thiên hiện đang phải đối mặt với vấn đề chi phí sản xuất tăng cao khi sử dụng hệ thống vận chuyển truyền thống, tùy theo điều kiện cụ thể, có thể áp dụng giải pháp trên nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cũng như các lợi ích khác nêu trên.

Nguồn: congnghiepmovietbac