Một số giải pháp công nghệ phù hợp khi khai thác các tầng sau ở các mỏ than lộ thiên Việt Nam

20

Tóm tắt:

Các mỏ than lộ thiên của Việt Nam ngày càng khai thác xuống sâu, khi đó sẽ gặp phải hàng loạt khó khăn như: khai thác theo mùa, bờ mỏ cao, lượng bùn nước nhiều, kích thước khai trường hạn chế,cường độ khai thác tăng trên từng tầng và toàn bờ,…. Trên cơ sở phân tích đặc điểm tại các tầng sâu,kinh nghiệm khai thác trong và ngoài nước, bài báo đề xuất một số giải pháp công nghệ khai thác phù hợp tại các tầng sâu như: Khai thác bờ lồi, bố trí đồng bộ xúc bốc trên từng đoạn bờ mỏ, sử dụng thiết bị vận tải hoạt động trên độ dốc cao, công nghệ xử lý bùn nước và đào sâu theo mùa nhằm khai thác an toàn đảm bảo sản lượng mỏ, hiệu quả và thu hồi tối đa tài nguyên than.

  1. Đặc điểm các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam

Hiện tại, khai thác lộ thiên đã, đang và vẫn sẽ giữ một vai trò quan trọng trong tổng sản lượng than – khoáng sản khai thác được của TKV, chiếm khoảng 30 * 35%. Theo Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2030, các mỏ than lộ thiên tiếp tục khai thác xuống sâu và kết thúc ở các mức: Cọc Sáu (-300 m), Khánh Hoà (-400 m), Cao Sơn (-325 m), Đèo Nai (-225 m), Đèo Nai – Cọc Sáu (-350 m), Hà Tu (-225 m), Na Dương (+18 m) [1].

Các mỏ than lộ thiên Việt Nam có các đặc điểm cơ bản như sau:

Đặc điểm địa chất mỏ: Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam có điều kiện địa chất phức tạp. Đất đá dạng trầm tích, phân lớp có chiều dày biến động mạnh. Các lớp đá xen kẽ nhau có tính chất không đồng nhất, góc cắm của các phân lớp thay đổi. Về độ phân lớp và nứt nẻ, cuội sạn kết phân lớp dày và trung bình là chủ yếu, cuội kết phong hoá và nứt nẻ mạnh, sạn kết ít nứt nẻ hơn. Cát kết, bột kết phân lớp mỏng đến trung bình, nứt nẻ trung bình.

Đặc điểm địa chất thủy văn: Lượng mưa lớn nhất trong ngày đạt 437 mm (ngày 26/7/2015). Lượng mưa bình quân hàng tháng từ 400 mm * 600 mm; hàng năm đạt xấp xỉ 2500 mm. Đặc biệt năm 2015, năm xảy ra trận mưa lịch sử tại Quảng Ninh, lượng mưa tháng lên đến 1.412 mm, lượng mưa năm 3.040 mm. Ngoài nước mưa, tại các tầng sâu được bổ sung lượng nước ngầm.

– Đặc điểm về địa chất công trình: Các loại đá trong địa tầng trầm tích chứa than gồm cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sết kết, sét than và các vỉa than. Khi khai thác xuống sâu, độ cứng đất đá tăng lên, độ khối tăng và độ nứt nẻ giảm.

Đặc điểm chung về hình học mỏ: Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam có dạng «trên sườn núi, dưới moong sâu»; đất bóc tập trung phía trên, than nằm phía dưới sâu; chiều cao bờ công tác lớn, khối lượng mỏ trên từng tầng lớn với yêu cầu ngày càng cao về công suất mỏ thì cường độ bóc đất trên từng tầng tăng. Các thông số hình học mỏ cơ bản tại các mỏ thể hiện ở bảng 1.

– Đặc điểm hệ thống và đồng bộ thiết bị khai thác: Trong quá trình khai thác, các mỏ than lộ thiên sử dụng hệ thống khai thác (HTKT) dọc, một hoặc hai bờ công tác có vận tải, đổ thải bãi thải ngoài hoặc trong, khấu theo lớp dốc. Các thông số HTKT như: Chiều cao tầng H = 5*16 m; chiều rộng mặt tầng công tác nhỏ nhất Bmin = 25-50 m; góc nghiêng bờ công tác ộ = 13-26°.

Phù hợp với các thông số của hệ thống khai thác, đồng bộ thiết bị (ĐBTB) gồm:

– Thiết bị khoan lỗ mìn:  Sử dụng các loại máy khoan xoay cầu CБШ-250 có đường kính d = 250 mm, các loại máy khoan xoay CbM, d = 165 mm và máy khoan thủy lực DM/DML có đường kính 200÷230 mm.

– Thiết bị xúc đất đá: Sử dụng các loại máy xúc tay gàu ЭКГ-4,6, 5A, 8I, 10U do Liên Xô (cũ) chế tạo có dung tích gàu xúc từ 4,6÷10 m3 và các máy xúc TLGN: PC1250, PC1800, CAT5020B,… có dung tích gàu từ 3,5÷12,0 m3;

– Thiết bị xúc than và đào sâu đáy mỏ: Đối với công tác đào sâu đáy mỏ sử dụng máy xúc TLGN  có dung tích gàu từ 2,5-4,5 m3;

– Thiết bị vận tải: Sử dụng các loại ô tô khung động như Volvo A40D, HM 400-R có tải trọng 37÷42 tấn để vận chuyển tại khu vực đáy mỏ, các loại ô tô khung cứng như CAT 773E, BelAZ 7555; HD 465-7, HD 785-7 có tải trọng từ 55÷130 tấn để vận chuyển đất đá ra bãi thải. Ngoài ra, hiện nay mỏ than Cao Sơn đang vận hành tuyến băng tải ra bãi thải Bàng Nâu có bề rộng băng 2m, công suất 20 triệu m3/năm (hình 1).

  1. a) Băng tải đá
  2. b) Hệ thống dỡ tải

Hình 1. Hệ thống tuyến băng tải đá mỏ than Cao Sơn

  1. Các yếu tố kỹ thuật cơ bản ảnh hưởng đến công nghệ khai thác tại các tầng sâu

2.1. Ảnh hưởng của ổn định bờ mỏ đến công nghệ khai thác tại các tầng sâu

Khi khai thác xuống sâu, bờ mỏ chịu tác động từ các yếu tố bất lợi như: Động thái vận động của nước ngầm, tải trọng tác động lên bờ mỏ lớn, liên kết giữa các lớp đất đá giảm. Đây là những nguyên nhân làm giảm độ ổn định của bờ mỏ, ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ khai thác. Vì vậy, cần có các giải pháp trong công nghệ khoan nổ mìn, xúc bốc, vận tải, thải đá… để nâng cao độ ổn định bờ mỏ khi khai thác các tầng sâu.

2.2. Ảnh hưởng của bùn nước và tốc độ xuống sâu đến công nghệ khai thác tại các tầng sâu

Khi khai thác xuống sâu, khai trường được mở rông, khối lượng bùn nước chảy vào mỏ tăng. Chúng làm giảm năng suất thiết bị, tăng giá thành khai thác, giảm tốc độ xuống sâu và sản lượng các mỏ. Bùn đất tại đáy moong ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ và thời gian đào sâu đáy mỏ.

Đối với các mỏ kích thước khai trường hạn chế công nghệ đào sâu sử dụng đáy mỏ bậc thang hoặc đáy mỏ nghiêng, phần sâu nhất của đáy mỏ là nơi tập trung bùn và nước. Đối với công nghệ trên, bùn đất được dồn hết xuống phần sâu nhất, do đó chiều dày lớp bùn là rất lớn gây khó khăn cho công tác vét bùn và đào sâu đáy mỏ. Với công nghệ đào sâu đáy mỏ nghiêng, các thiết bị xúc bốc và vận tải luôn làm việc trên mặt dốc, do đó năng suất của thiết bị tham gia vét bùn và hoạt động dưới đáy mỏ rất thấp.

Đối với các mỏ có kích thước khai trường lớn, thường áp dụng công nghệ đào sâu sử dụng đáy  mỏ 2 cấp. Ở đáy mỏ 2 cấp, bùn lắng đọng ở đáy mỏ được phân bố đều, do vậy chiều dày tương đối mỏng, trong quá trình bơm cạn nước, bùn ở phần đáy cao của hố chứa nước, có điều kiện róc nước, tạo thuận lợi cho công tác vét bùn và đào sâu.

  1. Các giải pháp công nghệ cơ bản

3.1. Các giải pháp về bờ mỏ

Các mỏ lộ thiên sâu có chiều cao bờ mỏ lớn nên trình tự xác định độ ổn định bờ mỏ như sau: (i) xác định các thông số của trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá; (ii) nghiên cứu cấu trúc, kiến tạo của khối đá; (iii) xác định điều kiện địa chất công trình (tính chất cơ lý, độ nứt nẻ,…) và địa chất thủy văn của khối đá; (iv) nghiên cứu các quy luật trong việc hình thành các ứng suất nhân tạo trong hoạt động khai thác;(v) nghiên cứu nguyên nhân hình thành nên mặt phá hủy và đứt gãy trong các khối đá; (vi) giám sát biến dạng của từng khu vực bờ mỏ; (vii) đánh giá ảnh hưởng của công tác khoan nổ mìn; (viii) dự đoán ảnh hưởng của địa chấn (động đất).

– Lựa chọn dạng bờ mỏ:

+ Theo kết quả nghiên cứu và áp dụng giải pháp khai thác dạng bờ lồi để giảm hệ số bóc đá tại một số mỏ lộ thiên LB Nga cho thấy, với chiều sâu mỏ từ 500÷ 600 m, việc tăng góc dốc bờ mỏ từ 30÷350 lên 40÷450, khối lượng đất bóc có thể giảm từ 10÷15% [4]. Bản chất của phương pháp này là căn cứ độ cứng, độ khối đất đá tại các khu vực sẽ chia bờ mỏ thành các đới công tác: Đới công tác phía trên có góc dốc nhỏ, đới phía dưới với thời gian tồn tại ngắn sẽ có góc dốc lớn để hình thành dạng bờ lồi.

+ Trên cơ sở nghiên cứu tổng hợp các điều kiện địa kỹ thuật các mỏ than lộ thiên công suất lớn vùng Quảng Ninh cho thấy, tính chất cơ lý đất đá, điều kiện địa chất thủy văn, chiều cao bờ mỏ, thời gian tồn tại, … khác nhau. Nhưng, các thông số hệ thống khai thác tương đối giống nhau, đặc biệt là góc dốc sườn tầng, bờ mỏ. Góc dốc bờ mỏ tỷ lệ thuận với hệ số bóc đất đá, hệ số bóc đất đá cao làm tăng chi phí khai thác, giảm hiệu quả sản xuất của doanh nghiệp. Vì vậy, công nghệ khai thác dạng bờ lồi cần được nghiên cứu và áp dụng tại các mỏ than lộ thiên sâu. Tùy thuộc điều kiện các khu vực bờ mỏ, xác định các thông số của đới công tác dưới sâu với góc dốc bờ nâng cao phù hợp với độ khối và độ cứng các tầng sâu và giảm khối lượng đất bóc.

– Lựa chọn, bố trí thiết bị trên đới công tác:

+ Với các mỏ sâu, theo chiều sâu khai thác, bờ mỏ được chia thành các khu vực công tác. Mỗi đới công tác có đặc trưng riêng (hình 2, 3);

Hình 2. Các khu vực vực khai thác theo chiều sâu khai thác

Hình 3. Sơ đồ xúc bốc – vận tải khu vực các tầng sâu

+ Khu vực trên cao: kích thước lớn, ít nước ngầm, đất đá có độ cứng, nứt nẻ nhiều. Khu vực này sẽ áp dụng công nghệ khai thác bằng máy xúc dung tích gàu lớn kết hợp với ô tô khung cứng, độ dốc dọc các tuyến đường vận tải trung bình từ 4÷5%;

+ Khu vực giữa mỏ: Kích thước mỏ giảm theo chiều sâu khai thác, đất đá có độ cứng, độ khối tăng, nhiều nước ngầm. Khu vực này áp dụng công nghệ khai thác bằng máy xúc có dung tích gàu lớn, kết hợp với ô tô có khả năng leo dốc lớn (từ 6÷12%);

Khu vực tầng sâu và đáy mỏ: Kích thước trật hẹp, bùn nước nhiều, sản lượng nhỏ. Khu vực này áp dụng công nghệ khai thác bằng máy xúc kết hợp với ô tô bánh xích, độ dốc đường vận tải từ 20-25%.

3.2. Công nghệ xử lý bùn

Hiện nay, các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh đang khai thác xuống sâu với tốc độ trung bình từ 10 ÷ 15 m/năm. Khi khai thác xuống sâu, biên giới mỏ ngày càng mở rộng dẫn đến lượng bùn đất chảy xuống đáy moong ngày một tăng, chiều dày lớp bùn loãng lớn và không ổn định, bùn loãng thường tập trung ở giữa moong. Theo kết quả nghiên cứu [2], khối lượng bùn loãng dự báo hàng năm khi xuống sâu tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh từ 55 ÷ 450 ngàn m3 (năm 2018-KTKT), chiều dày trung bình từ 2,0 ÷ 10,0 m, riêng mỏ Cọc Sáu từ 10,0÷20,0 m, phía dưới là lớp bùn cỡ hạt lớn và dưới đáy moong là đất đá có kích thước lớn. Công nghệ vét bùn sau mỗi mùa mưa tại đáy moong phù hợp cho các mỏ than lộ thiên Việt Nam khi khai thác xuống sâu là công nghệ vét bùn bằng máy bơm bùn đặc đối với phần bùn loãng phía trên, phần đất đá lẫn bùn phía dưới xúc trực tiếp bằng MXTLGN (hình 4).

Hình 4. Sơ đồ công nghệ vét bùn bằng máy bơm bùn đặc (1- máy bơm bùn đặc; 2- phao nổi; 3- tuyến ống dẫn bùn; 4- hố chứa bùn; 5- bãi mìn sau cải tạo; 6- lớp bùn loãng; 7- lớp bùn cỡ hạt lớn)

3.3. Công nghệ bơm thoát nước

Có hai nguồn nước chính chảy vào mỏ là nguồn nước ngầm và nước mưa. Vì vậy, cần áp dụng các giải pháp hạn chế tối đa lượng nước mưa, nước mặt ngấm và chảy vào mỏ như: Hướng dòng nước mặt về các sông suối, các tầng trên mức thoát nước tự chảy đều phải tạo rãnh thoát nước hướng dòng chảy ra khỏi khai trường.

Kết hợp với các giải pháp trên, cần phải bơm cưỡng bức ra khỏi khai trường mỏ. Theo phương pháp tính toán bơm thoát nước trước đây, hầu hết các trận mưa lớn đều được bơm cưỡng bức ra khỏi mỏ trong 5 ngày. Có nghĩa là mỏ có thể khai thác ngay cả trong mùa mưa. Tuy nhiên, đặc điểm hình học của các mỏ than lộ thiên là: Than nằm phía dưới đáy mỏ; đất đá tập trung trên cao. Vì vậy, trong các tháng mùa mưa, đáy mỏ không xuống sâu. Nếu phương pháp tính toán trên sẽ sử dụng số lượng lớn máy bơm, chi phí đầu tư duy trì bơm nước lớn.

Thực tế tại các mỏ thường khống chế một lượng nước nhất định ở đáy moong và duy trì bơm đến mức nước nhất định. Do đó cần xem xét, tính toán khâu bơm nước phù hợp hơn. Đối với các mỏ than lộ thiên Việt Nam, giải pháp bơm thoát nước được thực hiện như sau: Tính số bơm cần thiết cho 1 trạm với điều kiện bơm hết lượng nước của tháng lớn nhất và duy trì đáy moong bị ngập nước ở một mức nhất định, đồng thời tháng cuối mùa mưa phải bơm cạn nước ở đáy moong để tiến hành khai thác bình thường. Tức là tháng cuối mùa mưa phải bơm hết lượng nước duy trì của các tháng trước đó và lượng nước chảy vào mỏ trong tháng.
Trong trường hợp này lưu lượng tính toán của trạm bơm được xác định theo công thức:

Trong đó: Qdt – lượng nước duy trì dưới đáy mỏ trong mùa mưa, m3; Qmtc – lượng nước mặt chảy xuống mỏ trong tháng cuối mùa mưa, m3; Qntc – lượng nước ngầm chảy vào mỏ trong tháng cuối mùa mưa, m3; Qbtc – lượng nước bốc hơi của tháng cuối mùa mưa, m3; T = 20 giờ – số giờ cho phép bơm thoát nước trong 1 ngày đêm.

Trên cơ sở đó và diện tích trung bình của từng tầng đáy moong ta sẽ tính được chiều sâu nước ngập hay mức nước ngập duy trì trong mùa mưa của đáy moong. Với phương án này ngoài việc tính toán được lưu lượng nước cần bơm, số bơm cần thiết cho 1 trạm, còn tính được các chỉ tiêu khác như lượng nước duy trì dưới đáy moong và chiều sâu ngập nước trong mùa mưa.

3.4. Công tác chuẩn bị tầng mới và đào sâu

Công nghệ đào sâu hợp lý tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh như sau: áp dụng công nghệ đào sâu đáy moong 2 cấp theo chiều dọc (ngang), đào sâu theo phân tầng khi chiều dài đáy mỏ lớn và công nghệ đáy mỏ nghiêng khi chiều dài đáy mỏ nhỏ với việc áp dụng MXTLGN.

– Công nghệ đào sâu đáy moong 2 cấp, đào sâu theo phân tầng: Mùa mưa tiến hành đào sâu khai thác ở đáy cao, đáy thấp là nơi chứa nước và bùn sẽ được đào sâu trong mùa khô. Tuy nhiên, để tạo thuận lợi cho công tác vét bùn, phần đáy thấp của mỏ cần được chia làm 2 phần. Phần cao hơn là khu vực bùn lắng đọng được treo cao và phơi khô, còn phần thấp là nơi chứa bùn loãng và nước. Với cách cấu tạo trên, có thể ngay sau khi kết thúc mùa mưa, công tác đào sâu đáy mỏ tránh không tập trung vào khu vực có hố tụ nước có bùn nhão mà tiến hành đào sâu phần cao ở bên cạnh nhằm kéo dài thời gian phơi khô bùn tạo điều kiện tăng năng suất thiết bị đào hào và giảm thời gian chuẩn bị tầng (Hình 5).

Hình 5. Sơ đồ đào sâu tầng chứa bùn có cấu tạo phân tầng (I, II,… thứ tự đào sâu phân tầng)- Công nghệ đào sâu sử dụng đáy mỏ 2 cấp theo chiều ngang

Với công nghệ này, đáy mỏ được chia thành hai cấp (hai phân tầng) theo chiều ngang đáy mỏ, bùn đất và nước tập trung ở đáy thấp và được trải dài theo chiều dọc đáy mỏ, đầu mùa khô tiến hành đào sâu đáy cao, đào sâu thấp hơn đáy thấp để treo cao, phơi khô bùn ở đáy thấp, cuối mùa khô tiến hành xúc bùn đi. Trong mùa mưa lũ, công tác xuống sâu được tiến hành ở các tầng trên, còn những tầng dưới làm nhiêm vụ thu nước và bùn đất. Sơ đồ công nghệ khai thác với đáy mỏ 2 cấp theo chiều ngang thể hiện trong Hình 6.

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của HTKT đáy mỏ 2 cấp theo chiều ngang (1,2,..7: trình tự đào sâu)

Hình 7. Sơ đồ công nghệ khai thác với đáy mỏ nghiêng

+ Ưu điểm: Bùn lắng đọng ở đáy mỏ được dàn đều trên toàn bộ chiều dài đáy mỏ, do đó chiều dày không lớp bùn không lớn. Trong quá trình bơm cạn nước, bùn ở phần đáy cao của hố chứa nước có điều kiện róc nước, tạo thuận lợi cho việc vét bùn.

+ Nhược điểm: Trình tự phối hợp đào sâu giữa 2 cấp rất chặt chẽ, đồng thời chiều rộng đáy mỏ phải đủ lớn để có thể xuống sâu độc lập ở mỗi đáy.

– Công nghệ đào sâu sử dụng đáy mỏ nghiêng: Công nghệ này có đặc điểm là đáy mỏ có độ dốc nghiêng từ 6-8° về 2 bên. Phần nghiêng nhất của đáy mỏ là hố tụ bùn nước của mỏ. Khu vực này gom bùn và thu hẹp diện ngập nước ở tầng sâu nhất để tranh thủ đào sâu phần cao đáy mỏ ngay từ đầu mùa khô, tăng thời gian và tốc độ đào sâu. Trong mùa mưa khai thác than ở những tầng trên mức thoát nước tự chảy. Công tác nạo vét bùn và chuẩn bị tầng mới được thực hiện trong thời gian mùa khô. Tuy nhiên, công nghệ này có nhược điểm là các thiết bị khai thác phải hoạt động trên bề mặt nghiêng, tăng áp lực nền và giảm năng suất, chiều dày bùn ở đáy hố tụ nước lớn khó xúc (hình 7) [2].

3.5. Các giải pháp nâng cao mức độ an toàn khi khai thác các tầng sâu

Có 3 yếu tố cơ bản có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của bờ mỏ lộ thiên đó là: Điều kiện địa chất khu vực phức tạp, các đứt gẫy kiến tạo làm xuất hiện nhiều mặt yếu và tạo điều kiện cho sự thâm nhập, phá huỷ của nước ngầm; điều kiện địa chất thủy văn không thuận lợi (nhiều nước ngầm); chiều cao của bờ mỏ lớn và thời gian tồn tại của bờ dài. Đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm thích đáng ngay từ bây giờ. Dạng bờ mỏ khai khai thác xuống sâu được lựa chọn là dạng bờ lồi. Để nâng cao độ ổn định bờ mỏ, cần đề xuất giải pháp bóc đất giảm tải [3].

Các mỏ khai thác xuống sâu khi bờ mỏ không ổn định áp dụng các giải pháp: Tháo khô bờ mỏ bằng hệ thống lỗ khoan (đứng hoặc khoan ngang); gia cường khối đá bằng bê tông phun, xi măng hóa; neo bờ mỏ; khoan giảm áp.

Đối với các tầng ngập nước ở các mỏ, áp dụng các giải pháp công nghệ nổ mìn hợp lý: nạp thuốc nổ trong bao nilon, nạp nổ thuốc nhũ tương rời bằng xe chuyên dùng. Đối với các tầng dưới sâu và tầng đạt giới hạn kết thúc, áp dụng công nghệ nổ mìn giảm chấn động. Tăng cường chất lượng đất đá nổ mìn và giảm chi phí nạp bua, cần áp dụng cơ giới hóa khâu nạp bua. Đối với đá quá cỡ, áp dụng phương pháp phá vỡ bằng đầu đập thủy lực, nhằm đảm bảo an toàn và bảo vệ môi trường sinh thái.

  1. Kết luận

Hiện nay và những năm tới, các mỏ than lộ thiên Việt Nam sẽ tăng cường độ khai thác. Càng xuống sâu, công tác khai thác càng gặp nhiều khó khăn bắt lợi. Chính vì vậy, cần nghiên cứu, áp dụng các giải pháp công nghệ khai thác phù hợp như đã trình bày. Trên cơ sở đó, lựa chọn trình tự khai thác tối đa tài nguyên, góp phần đảm bảo kế hoạch khai thác xuống sâu cho các mỏ than lộ thiên Việt Nam.

TS. Đỗ Ngọc Tước, TS. Đoàn Văn Thanh
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ – Vinacomin
Biên tập: TS. Lưu Văn Thực
(Bài đăng trên Tạp chí Thông tin khoa học Mỏ, số 1/2020)

Để lại một trả lời

Địa chỉ email của bạn sẽ không được công bố.