Tiến Sĩ Tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải vùng Cẩm Phả - Q

MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHAI
THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC . 5
1.1. Hiện trạng áp dụng công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải tại vùng
than quảng ninh . 5
1.2. Kinh nghiệm áp dụng công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải trên thế
giới 19
1.3. Tổng quan các kết quả nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của công
nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải 22
1.4. Kết luận, mục tiêu và nội dung nghiên cứu . 32
CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT CÁC SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC PHÙ
HỢP ĐIỀU KIỆN CÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI VÙNG CẨM PHẢ
- QUẢNG NINH . 35
2.1. Đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất- kỹ thuật mỏ và tổng hợp trữ
lượng các vỉa dày, dốc thoải vùng cẩm phả- quảng ninh 35
2.2. Đề xuất một số công nghệ khai thác phù hợp điều kiện vỉa dày, dốc
thoải vùng cẩm phả- quảng ninh . 44
2.3. Đề xuất đồng bộ thiết bị cơ giới hóa khai thác vỉa dày thoải 51
2.4. Kết luận 58
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ
CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC THOẢI
VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH . 60
3.1. Nghiên cứu xác định các tham số cần tối ưu hóa của sơ đồ công
nghệ khai thác . 60
3.2. Xây dựng phương pháp tổng quát giải quyết bài toán tối ưu hóa các
tham số của sơ đồ công nghệ khai thác vỉa dày, dốc thoải . 72
3.3. Xây dựng phương pháp tính toán chi phí sản xuất than dựa trên các
tham số của sơ đồ công nghệ khai thác . 75
3.3. Kết luận 82
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA SƠ ĐỒ
CÔNG NGHỆ CƠ GIỚI HÓA KHAI THÁC VỈA THAN DÀY, DỐC
THOẢI TẠI MỎ THAN KHE CHÀM III 84
4.1. Xây dựng các điều kiện tính toán 85
4.2. Tối ưu hóa chiều dài lò chợ khi biết trước chiều dài cột khai thác và
chiều cao khấu gương . 101
4.3. Tối ưu hóa chiều dài cột khai thác khi biết trước chiều dài lò chợ và
chiều cao khấu gương . 103
4.4. Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao khấu gương và chi phí sản
xuất khi biết trước các kích thước lò chợ 106
4.5. Tối ưu hóa các tham số của lò chợ cơ giới hóa theo yếu tố chi phí
sản xuất nhỏ nhất . 107
4.6. Kết luận 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 110
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ . 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 113
PHỤ LỤC 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

XV Xuyên vỉa
TB Tây Bắc
ZHF Giá thủy lực di động kiểu ZHF
LAC Fast Lagrangian Analyis of Continua
UDEC The Universal Distinct Element Code
CNKT Công nghệ khai thác
CLTĐ Cột thủy lực đơn
HDIB Xà kim loại kiểu HDJB
GTLDĐ Giá thủy lực di động
HDFBC Xà hộp
SNG Khối các nước thuộc Nga
XDY Giá thủy lực di động kiểu XDY
VINAALTA Giàn chống tự hành kiểu VINAALTA
2ANSH Giàn chống tự hành kiểu 2ANSH
OKU Cột chống pha hỏa kiểu OKU
QCVN01:2011/BCT
Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai
thác than hầm
CNKT Công nghệ khai thác
HTKTCDTP Hệ thống khai thác cột dài theo phương

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Hệ thống khai thác cột dài theo phương, khấu lớp trụ hạ trần than nóc 9
Hình 1.2. Mặt cắt gương lò chợ theo các loại vật liệu chống giữ . 9
Hình 1.3. Giá thủy lực di động XDY-1T2/LY 10
Hình 1.4. Giá thủy lực di động có xích ZH1800/16/24ZL . 10
Hình 1.5. Sơ đồ công nghệ khai thác cơ giới hóa đồng bộ sử dụng dàn tự hành
Vinaalta, khấu than lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc 12
Hình 1.6. Lò chợ cơ giới hóa đồng bộ tại Công ty than Nam Mẫu 13
Hình 1.7. Công nghệ khai thác chia lớp nghiêng có lớp đệm nhân tạo 15
Hình 1.8. Hệ thống khai thác chia lớp nghiêng - hạ trần 18
Hình 1.9. Sơ đồ CNKT CGH chia lớp nghiêng, hạ trần thu hồi lớp giữa 20
Hình 1.10. Sơ đồ CNKT chia lớp nghiêng với chèn lò toàn phần . 20
Hình 1.11. Sơ đồ CNKT cột dài theo phương, CGH khấu than lớp trụ hạ trần
thu hồi than nóc tại Trung Quốc . 21
Hình 2.1. Tỷ lệ phân bố trữ lượng vỉa than dày, dốc thoải tại các mỏ hầm lò
vùng Cẩm Phả . 42
Hình 2.2. Tỷ lệ phân bố trữ lượng vỉa than dày, dốc thoải có khả năng áp dụng
cơ giới hóa khai thác tại các mỏ hầm lò vùng Cẩm Phả . 43
Hình 2.3. Công nghệ CGH khai thác hạ trần than nóc . 45
Hình 2.4. Công nghệ cơ giới hóa khai thác chia lớp nghiêng,hạ trần thu hồi
than lớp giữa .49
Hình 2.5. Dàn chống tự hành kiểu “che- chống” có kết cấu thu hồi than nóc sử
dụng 1 máng cào . 52
Hình 2.6. Dàn chống tự hành kiểu “chống - che” có kết cấu thu hồi than nóc,
sử dụng 2 máng cào . 54
Hình 3.1. Mối quan hệ giữa chiều dài lò chợ với công suất khai thác, giá
thành phân xưởng, chi phí sản xuất than . 67
Hình 3.2. Mối quan hệ giữa chiều dài cột khai thác theo phương với công suất
khai thác, giá thành phân xưởng, chi phí sản xuất than 69
Hình 3.3. Mối quan hệ giữa chiều cao khấu gương với công suất khai thác, giá
thành phân xưởng, chi phí sản xuất than . 70
Hình 3.4. Giải thuật tổng quát giải quyết bài toán tối ưu hóa các tham số của
sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải . 74
Hình 4.1. Giao diện phần mềm tối ưu hóa các thông số của SĐCN cơ giới hóa
khai thác vỉa than dày, dốc thoải . 100
Hình 4.2. Kết quả tính toán tối ưu hóa chiều dài lò chợ khi biết trước chiều dài
cột khai thác và chiều cao khấu (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) . 102
Hình 4.3. Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất với chiều dài lò chợ . 103
Hình 4.4. Kết quả tính toán tối ưu hóa chiều dài cột khai thác khi biết trước
chiều dài lò chợ và chiều cao khấu (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 104
Hình 4.5. Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất với chiều dài cột khấu (trong
điều kiện mỏ Khe Chàm III) 105
Hình 4.6. Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất với chiều cao khấu gương (trong
điều kiện mỏ Khe Chàm III) . 106
Hình 4.7. Kết quả tính toán tối ưu hóa chiều dài lò chợ, chiều dài cột khai thác
theo yếu tố chi phí sản xuất nhỏ nhất (trong điều kiện mỏ Khe Chàm III) 108
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tổng hợp một số chỉ tiêu KTKT đạt được của CNKT cột dài theo
phương, khấu lớp trụ bằng khoan nổ mìn, hạ trần thu hồi than nóc . 8
Bảng 1.2: Tổng hợp chỉ tiêu KTKT đạt được của CNKT CGH đồng bộ sử
dụng dàn tự hành Vinaalta, khấu than lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc . 13
Bảng 1.3: Tổng hợp chỉ tiêu KTKT đạt được của CNKT chia lớp nghiêng 16
Bảng 2.1: Bảng tính chất cơ lý đá mỏ vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh . 37
Bảng 2.2: Tổng hợp trữ lượng địa chất vỉa than dày, dốc thoải tại các mỏ hầm
lò vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh 41
Bảng 2.3: Tổng hợp trữ lượng các khu vực vỉa than dày, dốc thoải có khả
năng áp dụng cơ giới hóa khai thác tại các mỏ hầm lò vùng Cẩm Phả 43
Bảng 2.4: Đặc tính kỹ thuật của một số loại dàn tự hành thu hồi than nóc có
kết cấu kiểu “che - chống” sử dụng một máng cào . 53
Bảng 2.5: Đặc tính kỹ thuật của một số loại dàn tự hành thu hồi than nóc có
kết cấu “chống - che” sử dụng hai máng cào 55
Bảng 2.6: Bảng so sánh ưu, nhược điểm các loại dàn chống tự hành 56
Bảng 4.1: Các điều kiện tính toán bài toán tối ưu hóa 99 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua, sản lượng khai thác than trong nước đã tăng
trưởng với tốc độ cao. Những thành tựu đạt được là kết quả của quá trình triển
khai áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm từng bước nâng cao mức độ cơ
giới hóa các khâu trong quá trình sản xuất. Theo Điều chỉnh quy hoạch phát
triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030,
sản lượng khai thác sẽ tăng nhanh từ 44,1 triệu tấn năm 2014 lên 58,2 triệu
tấn năm 2020 và đạt khoảng 68,9 triệu tấn vào năm 2030. Trong đó, sản
lượng than khai thác hầm lò sẽ liên tục tăng cao, từ 20,9 triệu tấn năm 2014
lên 48,6 triệu tấn vào năm 2030, tương ứng tăng khoảng 2,3 lần so với hiện
nay và chiếm hơn 70% tổng sản lượng toàn ngành. Như vậy, trong tương lai
các mỏ hầm lò sẽ là các đơn vị đóng góp sản lượng khai thác than chủ yếu. Do
đó, để đạt được mục tiêu sản lượng theo kế hoạch, nhất thiết cần đổi mới công
nghệ khai thác than hầm lò theo hướng áp dụng các loại hình công nghệ cơ
giới hóa các khâu sản xuất, đáp ứng các tiêu chí cơ bản của mỏ hiện đại như:
công suất khai thác lớn; an toàn; trình độ công nghệ và thiết bị tiên tiến; giảm
thiểu lao động thủ công; giám sát, thông tin liên lạc, điều hành sản xuất tập
trung, tự động hóa . yêu cầu đòi hỏi triển khai các nghiên cứu, phân tích, đề
xuất, lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp, tạo cơ sở định
hướng phát triển cơ giới hóa và hiện đại hóa các mỏ than.
Một trong những điều kiện vỉa than tương đối phổ biến ở vùng than
Đông Bắc nói chung, vùng Cẩm Phả nói riêng là đối tượng vỉa than dày thoải.
Hiện nay, để khai thác đối tượng vỉa than dày, góc dốc thoải, các công nghệ
khai thác được áp dụng chủ yếu tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh là:
Công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu lớp trụ bằng khoan nổ mìn thủ 2
công, hạ trần thu hồi than nóc; Công nghệ khai thác cơ giới hóa đồng bộ, khấu
than lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc; Công nghệ khai thác chia lớp nghiêng,
khấu lớp vách, lớp trụ bằng khoan nổ mìn, hạ trần thu hồi than lớp giữa. Các
lò chợ áp dụng những sơ đồ công nghệ khai thác nói trên hiện nay cơ bản đã
đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật yêu cầu, đóng góp tỷ lệ lớn trong
sản lượng khai thác ngành than hàng năm. Thực tế sản xuất cho thấy, sản
lượng than từ các lò chợ khai thác vỉa dày thoải thường lớn hơn 1,5 ư 2 lần so
với lò chợ khai thác vỉa dày trung bình trong cùng các điều kiện địa chất - kỹ
thuật mỏ khác. Tuy nhiên, sản lượng các lò chợ còn thấp (chỉ từ 120 ư 180
ngàn tấn/năm), năng suất lao động chưa cao (từ 2 ư 6 tấn/công-ca). Vì vậy,
vấn đề nghiên cứu “Tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công nghệ
khai thác vỉa than dày, dốc thoải vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh” với mục
tiêu nâng cao hiệu quả khai thác than là rất cần thiết và có ý nghĩa thiết thực
để thực hiện kế hoạch phát triển sản lượng ngành than.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công
nghệ khai thác các vỉa than dày, dốc thoải vùng Cẩm Phả - Quang Ninh nhằm
nâng cao hiệu quả khai thác than, phục vụ Quy hoạch phát triển Ngành than
đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tham số của một số sơ đồ công
nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là một số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa
than dày, dốc thoải phù hợp điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ vùng Cẩm Phả -
Quang Ninh.
3
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu điều kiện địa chất và điều kiện các khoáng sàng hầm lò theo
điều kiện cơ giới hóa khai thác.
- Phân tích, đánh giá điều kiện trang thiết bị, khả năng cơ giới hóa của các
đơn vị hầm lò trong Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam.
- Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa các tham số của một số sơ đồ công
nghệ dốc thoải lựa chọn cho điều kiện các vỉa than vùng Cẩm Phả - Quang Ninh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp khảo sát, tổng hợp, kế thừa các tài liệu;
- Phương pháp phân tích, thống kê và phương pháp đồ thị;
- Phương pháp mô hình hóa toán - kinh tế;
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài: xây dựng được phương pháp luận tối
ưu hóa các tham số của sơ đồ công nghệ khai thác vỉa than dày, dốc thoải với
tiêu chí tối ưu là chi phí sản xuất thấp nhất trên mỗi tấn than nguyên khai.
6.2. Giá trị thực tiễn của đề tài: kết quả nghiên cứu góp phần xác định
giá trị cụ thể của các tham số trong sơ đồ công nghệ khai thác theo điều kiện
vỉa và công nghệ áp dụng, giúp Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản
Việt Nam lựa chọn các giải pháp chuẩn bị ruộng mỏ hợp lý để cơ giới hóa ở
các mỏ than hầm lò vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh nhằm phát triển bền vững,
khai thác than có hiệu quả vùng Quảng Ninh 4
7. Những điểm mới của luận án
7.1. Xây dựng thuật giải bài toán tối ưu hóa các tham số sơ đồ công
nghệ khai thác vỉa dày dốc thoải vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
7.2 Kết quả chạy máy tính đã cho phép đề xuất giá trị tối ưu các tham
số của một số sơ đồ công nghệ khai thác vỉa dày dốc thoải tại mỏ Khe chàm
III vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
8. Luận điểm khoa học
8.1. Chi phí sản xuất phụ thuộc vào các tham số như: chiều dài lò chợ
và chiều dài cột khấu: khi chiều dài lò chợ và chiều dài cột khấu tăng lên đến
một giá trị nhất định, chi phí sản xuất than là thấp nhất, sau đó nếu tiếp tục
tăng giá trị các tham số này, chi phí sản xuất sẽ tăng lên.
8.2. Trong điều kiện mỏ Khe Chàm III, chiều dài lò chợ cơ giới hóa tối
ưu là 200m với chiều dài cột khấu tối ưu là 500m.
8.3. Trong quá trình tính toán tối ưu hóa các tham số của sơ đồ công
nghệ, yếu tố giá thành phân xưởng nhỏ nhất không hoàn toàn tương ứng với
chi phí sản xuất nhỏ nhất do trong trường hợp chi phí đào lò chuẩn bị tính trên
mỗi tấn than cao hơn so với trường hợp đạt kết quả tối ưu.
8.4. Hệ số hoàn thành chu kỳ K ck = 0,75
9. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 4 chương, các phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị, 138
trang, bao gồm 24 hình vẽ và 10 bảng biểu.