Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ khai thác đối với các mỏ quặng sắt lộ thiên dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn phức tạp của Việt Nam

Chia sẻ: Bobietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là cơ sở đặc điểm điều kiện tự nhiên của các mỏ quặng sắt lộ thiên, lựa chọn sơ đồ công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải phù hợp với các mỏ quặng sắt khai thác dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp nói chung và cho mỏ sắt Thạch Khê nói riêng, nhằm đáp ứng yêu sản lượng và nâng cao hiệu quả khai thác cho doanh nghiệp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ khai thác đối với các mỏ quặng sắt lộ thiên dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn phức tạp của Việt Nam

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LƯU VĂN THỰC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁC MỎ QUẶNG SẮT LỘ THIÊN DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN PHỨC TẠP Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI: 2014
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LƯU VĂN THỰC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁC MỎ QUẶNG SẮT LỘ THIÊN DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN PHỨC TẠP Ở VIỆT NAM Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 62520603 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGƯT. PGS.TS Hồ Sĩ Giao
i lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña b¶n th©n t«i. C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ tr×nh bµy trong luËn ¸n lµ ®óng sù thËt vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c. Hµ Néi, ngµy 08 th¸ng 3 n¨m 2014 Lưu Văn Thực
ii MỤC LỤC TT Nội dung Trang MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHAI THÁC SẮT LỘ THIÊN Ở 5 VIỆT NAM VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Hiện trạng công tác khai thác quặng sắt ở VN 5 1.1.1 Tình hình khai thác và sản lượng các mỏ sắt VN 5 1.1.2. Công nghệ khai thác 6 1.1.3 Thiết bị sử dụng trong các khâu công nghệ 7 1.1.4 Quy hoạch phát triển ngành khai thác quặng sắt VN 9 1.2. Tiềm năng trữ lượng quặng sắt VN 10 1.3. Đặc điểm tự nhiên các khoáng sàng quặng sắt VN 10 1.3.1 Đặc điểm phân bố các khoáng sàng sắt VN 10 1.3.2. Đặc điểm về nguồn gốc thành tạo 14 1.3.3 Đặc điểm cấu trúc các thân quặng 15 1.3.4. Đặc điểm ĐCCT - ĐCTV các khoáng sàng sắt VN 15 1.4. Phân loại mức độ phức tạp các mỏ quặng sắt theo yếu tố tự 17 nhiên 1.5 Tổng quan về công tác nghiên cứu công nghệ khai thác quặng 20 sắt ở VN 1.6. Một số nét về công nghệ khai thác quặng sắt trên thế giới 26 1.6.1 Phân bố trữ lượng và tình hình khai thác quặng sắt trên thế giới 26 1.6.2 Kinh nghiệm khai thác các mỏ quặng sắt trên thế giới 28 1.6.3 Một số nghiên cứu về khai thác mỏ quặng lộ thiên trên thế giới 31 1.7 Kết luận 33 Chương 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÓ TIỀM 36 NĂNG ÁP DỤNG CHO CÁC MỎ QUẶNG SẮT LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM 2.1 Khái quát vần đề 36 2.2 Công nghệ khai thác dưới mức thoát nước tự chảy 38 2.2.1 Khái quát về khai thác dưới mức thoát nước tự chảy 38 2.2.2 Các thông số cơ bản của đáy mỏ hai cấp khi khai thác dưới mức 39 thoát nước tự chảy 2.2.3 Đào sâu đáy mỏ và khai thác quặng bằng MXTLGN 43 2.3 Công nghệ khai thác với góc nghiêng bờ công tác lớn 49 2.3.1 Cơ sở thực tiễn và khoa học 49 2.3.2 Trình tự phát triển công trình mỏ 50
iii 2.4 Công nghệ khai thác chọn lọc các mỏ quặng sắt 50 2.5 Tiềm năng sử dụng các thiết bị cho các mỏ quặng sắt lộ thiên 55 VN 2.5.1 Thiết bị cho khâu chuẩn bị đất đá 55 2.5.2 Thiết bị cho khâu xúc bốc 57 2.5.3 Thiết bị cho khâu vận tải 59 2.6 Kết luận 61 Chương 3: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ KHAI 63 THÁC PHÙ HỢP NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CHO CÁC MỎ QUẶNG SẮT LỘ THIÊN TRONG ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN PHỨC TẠP VIỆT NAM 3.1 Nghiên cứu hoàn thiện công tác đào sâu cho các mỏ quặng sắt 63 lộ thiên khai thác dưới mức thoát nước tự chảy 3.1.1 Khái quát về đào sâu đáy mỏ lộ thiên 63 3.1.2 Nghiên cứu các giải pháp tăng tốc độ đào sâu đáy mỏ quặng sắt 63 lộ thiên khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy bằng MXTLGN 3.2 Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác với góc bờ công tác 70 cao cho các mỏ quặng sắt lộ thiên VN 3.2.1 Ý nghĩa của việc nâng cao góc nghiêng bờ công tác 70 3.2.2 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới góc nghiêng bờ công tác và 71 khả năng nâng cao góc nghiêng bờ công tác khi khai thác các mỏ quặng sắt dưới mức thoát nước tự chảy 3.3 Nghiên cứu khai thác với đáy mỏ hai cấp đối với các mỏ có 79 điều kiện ĐCTV phức tạp 3.3.1 Áp dụng công nghệ khai thác đáy mỏ hai cấp đối với các mỏ có 79 chiều dài đường phương lớn 3.3.2 Lựa chọn công nghệ phân khu vực khai thác theo mùa 80 3.4 Nghiên cứu xây dựng các sơ đồ công nghệ khai thác chọn lọc 82 đối với các thân quặng (gốc) có cấu trúc địa chất phức tạp 3.4.1 Cơ sở xác định tổn thất và làm nghèo quặng 82 3.4.2 Các nguyên nhân gây lên tổn thất và làm nghèo quặng trong quá 83 trình khai thác lộ thiên 3.4.3 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới tổn thất và làm nghèo khi khai 84 thác mỏ quặng sắt lộ thiên 3.4.4 Công nghệ KNM khai thác chọn lọc thân quặng sắt gốc 85 3.4.5 Xác định chiều cao xúc chọn lọc của MXTL 90 3.4.6 Cơ sở xác định tổn thất và làm nghèo quặng vùng tiếp xúc giữa đất 94 đá và quặng khi khai thác
iv 3.4.7 Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ khai thác chọn lọc hợp lý đối với các 97 mỏ quặng sắt có cấu trúc địa chất phức tạp 3.5 Nghiên cứu lựa chọn ĐBTB xúc bốc – vận tải hợp lý cho các mỏ 108 quặng sắt lộ thiên có điều kiện tự nhiên và ĐCTV phức tạp 3.5.1 Các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến lựa chọn ĐBTB 108 3.5.2 Nghiên cứu lựa chọn thiết bị xúc bốc – vận tải hợp lý đối với các 109 mỏ quặng sắt lộ thiên có điều kiện tự nhiên và ĐCTV phức tạp 3.5.3 Quan hệ giữa thiết bị xúc bốc – vận tải 127 3.5.4 Xác định số ô tô hợp lý khi phục vụ một máy xúc 132 3.5.5 Nghiên cứu xác định tổ hợp thiết bị xúc – bốc vận tải hợp lý 133 3.6 Kết luận 137 Chương 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO MỎ QUẶNG SẮT 138 THẠCH KHÊ 4.1 Đặc điểm chung mỏ quặng sắt Thạch Khê 138 4.1.1 Vị trí địa lý, địa hình, khí hậu khu mỏ 138 4.1.2 Đặc điểm địa chất khu mỏ 138 4.1.3 Kích thước khai trường 139 4.1.4 Hiện trạng khu mỏ 139 4.2 Xác định góc nghiêng bờ công tác hợp lý đối với tầng đá cứng 139 4.3 Xác định chiều cao xúc chọn lọc đối với các MXTLGN 141 4.4 Xác định ĐBTB xúc bốc - vận tải hợp lý 143 4.4.1 Xác định loại ô tô phù hợp với các lớp đất yếu 143 4.4.2 Xác định loại máy xúc phù hợp với tải trọng ô tô và công suất mỏ 147 4.5 Kết luận 149 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 151 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 PHỤ LỤC
v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. ĐBTB: Đồng bộ thiết bị 2. ĐCĐLCT Địa chất động lực công trình 3. ĐCCT: Địa chất công trình 4. ĐCTV: Địa chất thủy văn 5. KNM: Khoan nổ mìn 6. KTLT: Khai thác lộ thiên 7. HTKT: Hệ thống khai thác 8. MXTL Máy xúc thủy lực 9. MXTLGN: Máy xúc thủy lực gầu ngược 10. MXTLGT: Máy xúc thủy lực gầu thuận 11. VN Việt Nam
vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng Nội dung Trang 1 Bảng 1.1 Thông số HTKT một số mỏ 6 2 Bảng 1.2 Các chỉ tiêu biên giới khai trường và kế hoạch khai 11 thác một số mỏ quặng sắt 3 Bảng 1.3 Trữ lượng và tài nguyên dự báo quặng sắt ở VN 12 4 Bảng 1.4 Tổng hợp trữ lượng, chất lượng của một số mỏ quặng 12 sắt lớn 5 Bảng 1.5 Phân loại các mỏ quặng sắt trên cơ sở điều kiện địa 18 chất và ĐCTV 6 Bảng 1.6 Trữ lượng quặng sắt ở một số nước thế giới 27 7 Bảng 1.7 Công suất và kích thước khai trường một số mỏ quặng 28 sắt trên thế giới 8 Bảng 2.1 Bảng phân loại HTKT mỏ lộ thiên của V.V.Rjepxki 37 9 Bảng 3.1 Quan hệ tỷ lệ giữa các yếu tố với tốc độ xuống sâu 64 10 Bảng 3.2 Quan hệ giữa chiều cao tầng đất và chiều cao phân 66 tầng quặng 11 Bảng 3.3 Quan hệ giữa tốc độ xuống sâu và chiều dài blốc máy 67 xúc 12 Bảng 3.4 Quan hệ giữa năng suất máy xúc và tốc độ xuống sâu 69 yêu cầu 13 Bảng 3.5 Quan hệ giữa tβ với các thông số 77 14 Bảng 3.6 Loại máy xúc phụ thuộc chiều cao tầng 118 15 Bảng 3.7 Khả năng chịu tải của nền đất yếu mỏ Thạch Khê đối 120 với các loại máy xúc 16 Bảng 4.1 Các thông số cơ bản biên khai trường mỏ Thạch Khê 139 17 Bảng 4.2 Xác định giá trị góc nghiêng bờ công tác mỏ Thạch 140 Khê theo yếu tố địa kỹ thuật thay đổi 18 Bảng 4.3 Chiều cao xúc chọn lọc của MXTLGN phụ thuộc vào 142 góc cắm thân quặng 19 Bảng 4.4 Các chỉ tiêu tổn thất và làm nghèo quặng mỏ 142 Thạch Khê 20 Bảng 4.5 Một số chỉ tiêu cơ bản của các lớp đất yếu mỏ Thạch 143 Khê 21 Bảng 4.6 Áp lực của một số ô tô CAT đối với các tầng đất yếu 145 mỏ Thạch Khê 22 Bảng 4.7 Áp lực của một số ô tô Komatsu đối với các tầng đất 146 yếu mỏ Thạch Khê
vii 23 Bảng 4.8 ĐBTB máy xúc – ô tô phù hợp với mỏ Thạch Khê 148 24 Bảng 4.9 Các tổ hợp thiết bị máy xúc – ô tô mỏ Thạch Khê 148 25 Bảng 4.10 Tổ hợp thiết bị máy xúc bốc – ô tô hợp lý mỏ Thạch 149 Khê
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Hình Nội dung Trang 1 Hình 1.1 Ảnh hưởng của nước ngầm đến độ ổn định tầng cát tại 22 mỏ sắt Thạch Khê 2 Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ khai thác tầng đất yếu MXTLGN 22 đứng ở phân tầng giữa chất tải lên ôtô dưới mức máy đứng tại mỏ sắt Thạch Khê 3 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của HTKT đáy mỏ hai cấp 42 4 Hình 2.2 Sơ đồ xác định các thông số của HTKT đáy mỏ hai 42 cấp 5 Hình 2.3 Sơ đồ trình tự đào sâu đáy mỏ khi sử dụng MXTLGN 44 chuẩn bị tầng mới và khấu quặng theo phân tầng còn bóc đất đá trên toàn bộ chiều cao tầng 6 Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ đào sâu đáy mỏ, chuẩn bị tầng mới 45 và khấu quặng theo phân tầng khi sử dụng 4 MXTLGN 7 Hình 2.5 Biểu đồ chuẩn bị tầng mới theo L = f(T) 48 8 Hình 2.6 Các phương án bố trí thiết bị xúc bốc trên tầng khi sử dụng công nghệ khai thác với góc nghiêng bờ công tác 51 lớn 9 Hình 2.7 Sơ đồ công nghệ dùng MXTLGN xúc chọn lọc thân quặng 52 mỏng dốc nghiêng và dốc đứng 10 Hình 2.8 Sơ đồ công nghệ khi dùng MXTLGN xúc chọn lọc 53 thân quặng dày dốc nghiêng và dốc đứng 11 Hình 2.9 Sơ đồ dọn vách thân quặng theo lớp xiên bằng 54 MXTLGN 12 Hình 2.10 Sơ đồ khấu khoáng sản đối với chùm thân quặng 55 mỏng dốc đứng 13 Hình 3.1 Đồ thị quan hệ giữa h và Vt 65 14 Hình 3.2 Đồ thị quan hệ giữa Vs với LK và h (LK1 < LK2
ix 22 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý HTKT dọc, bờ mỏ chia thành nhiều 74 nhóm tầng, khấu đuổi trong nhóm, áp dụng khi các máy xúc có công suất nhỏ 23 Hình 3.11 Sơ đồ công nghệ khai thác áp dụng các máy xúc có 75 công suất lớn 24 Hình 3.12 Sơ đồ xác định tối ưu hoá góc nghiêng bờ bờ công tác 76 25 Hình 3.13 Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng bờ công tác và hệ số 78 dự trữ ổn định với các chiều cao khác nhau của bờ mỏ 26 Hình 3.14 Đồ thị quan hệ giữa lợi nhuận L và hệ số dự trữ độ ổn 78 định n 27 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý khi phân khu vực khai thác theo mùa 81 28 Hình 3.16 Phân loại các nguyên nhân cơ bản gây tổn thất và làm 84 nghèo quặng 29 Hình 3.17 Sơ đồ nổ tách quặng và đá khi sử dụng lỗ khoan 86 nghiêng 30 Hình 3.18 Sơ đồ nổ mìn giữ nguyên cấu trúc trường hợp có một 88 thân quặng 31 Hình 3.19 Sơ đồ nổ mìn đồng thời giữ nguyên cấu trúc trường 88 hợp thân quặng có cấu trúc phức tạp hoặc mỏ có chùm thân quặng phân bố gần nhau 32 Hình 3.20 Sơ đồ khoan nổ mìn tách theo phân tầng 89 33 Hình 3.21 Sơ đồ công nghệ nổ mìn tách riêng đất đá và quặng 89 bằng phương pháp vi sai trong lỗ khoan 34 Hình 3.22 Nổ tách riêng quặng và đá theo dải cụt 90 35 Hình 3.23 Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa các thông số làm 91 việc của MXTLGN với góc cắm thân quặng và chiều cao xúc chọn lọc khi đứng bên vách xúc phía dưới 36 Hình 3.24 Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa các thông số làm 92 việc của MXTL với góc cắm thân quặng và chiều cao xúc chọn lọc khi xúc gương xúc phía trên 37 Hình 3.25 Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa các thông số làm 94 việc của MXTLGN với góc cắm thân quặng và chiều cao xúc chọn lọc khi máy xúc đứng trên nóc tầng quặng xúc gương phía dưới 38 Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán xác định chiều cao xúc chọn lọc của 95 MXTLGN theo góc cắm thân quặng 39 Hình 3.27 Các phương án tổn thất và làm nghèo quặng 96 40 Hình 3.28 Sơ đồ xác định tổn thất và làm nghèo quặng đối với thân quặng cấu trúc phức tạp hoặc chùm thân quặng 97 phân bố gần nhau
x 41 Hình 3.29 Sơ đồ công nghệ sử dụng MXTLGN bóc đất đá và 98 khai thác quặng có vách và trụ thân quặng chỉnh hợp 42 Hình 3.30 Sơ đồ công nghệ MXTLGN đứng ở mức trung gian 99 bóc đất đá và khai thác thân quặng có vách và trụ chỉnh hợp với nhau, chất tải lên ô tô ở dưới 43 Hình 3.31 Sơ công nghệ khai thác thân quặng khi chiều dày thay 101 đổi theo chiều sâu 44 Hình 3.32 Sơ đồ công nghệ khai thác thân quặng cấu tạo phức 102 tạp (hoặc chùm thân phân bố gần nhau) có hướng cắm chỉnh hợp bằng MXTLGN 45 Hình 3.33 Sơ đồ công nghệ khai thác khi các thân quặng phân bố 103 gần nhau có thế nằm bất chính hợp bằng MXTLGN 46 Hình 3.34 Sơ đồ công nghệ sử dụng MXTLGT phối hợp với 105 MXTLGN bóc đá và khai thác quặng (thân quặng dốc đứng phải bóc bờ trụ) 47 Hình 3.35 Sơ đồ công nghệ khai thác thân quặng có cấu trúc 106 phức tạp kết hợp giữa MXTLGN và MXTLGT 48 Hình 3.36 Đồ thị quan hệ giữa chi phí sản xuất của MXTLGN 107 với dung tích gàu xúc khi khai thác với thân quặng dốc thoải có cấu trúc phức tạp 49 Hình 3.37 Đồ thị quan hệ giữa chi phí sản xuất của MXTLGN 107 với dung tích gàu xúc khi khai thác thân quặng dốc đứng có cấu tạo phức tạp 50 Hình 3.38 Đồ thị quan hệ giữa chi phí sản xuất của MXTLGN 108 với dung tích gàu xúc khi khai thác các thân quặng dốc nghiêng có cấu trúc phức tạp 51 Hình 3.39 Biểu đồ quan hệ giữa lực tác động và độ lún của nền 111 đất 52 Hình 3.40 Sơ đồ xác định áp lực của bánh ô tô và độ lún của 112 đường 53 Hình 3.41 Biểu đồ ứng suất tự nhiên của một số tầng đất yếu mỏ 115 Thạch Khê 54 Hình 3.42 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất tự nhiên của tầng đất yếu 116 lớp 1 mỏ Thạch Khê với áp lực các loại ô tô lên đường vận theo theo chiều sâu 55 Hình 3.43 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất tự nhiên của tầng đất 116 yếu lớp 2 mỏ Thạch Khê với áp lực các loại ô tô lên đường vận theo theo chiều sâu 56 Hình 3.44 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất tự nhiên của tầng đất yếu 116 lớp 6 mỏ Thạch Khê với áp lực các loại ô tô lên đường
xi vận theo theo chiều sâu 57 Hình 3.45 Sơ đồ xác định lực cản xúc KF và lựa chọn máy xúc 118 hợp lý 58 Hình 3.46 Đồ thị hệ giữa hệ số nở rời đất đá trong gầu xúc với 121 đường kính cục đá trung bình 59 Hình 3.47 Đồ thị quan hệ của năng suất máy xúc với độ cục và tỉ 122 lệ đá quá cỡ 60 Hình 3.48 Sơ đồ công nghệ xúc bốc đất đá trên bờ công tác 122 61 Hình 3.49 Đồ thị quan hệ giữa E với Vn và LK 124 62 Hình 3.50 Đồ thị quan hệ giữa E với LK 124 63 Hình 3.51 : Đồ thị quan hệ giữa E với Vn và R 125 64 Hình 3.52 Đồ thị quan hệ giữa hệ số Kotô và Kmx với E 130 65 Hình 3.53 Đồ thị quan hệ giữa hệ số Kotô và Kmx với L 130 66 Hình 3.54 Đồ thị quan hệ giữa E và q0 với L 131 67 Hình 3.55 Đồ thị sự thay đổi năng suất của tổ hợp máy xúc – ô tô 132 68 Hình 3.56 Sơ đồ thuật toán xác định dung tích gàu xúc và tải 136 trọng ô tô hợp lý theo sản lượng mỏ và điều kiện khai thác 69 Hình 4.1 Chương trình phần mềm tính chiều sâu (cao) xúc chọn 141 lọc của MXTLGN 70 Hình 4.2 Chương trình phần mềm tính tối ưu hoá thiết bị máy 148 xúc – ô tô
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong công cuộc “Công nghiệp hóa - Hiện đại hoá” ở nước ta hiện nay, ngành công nghiệp khai khoáng có một vị trí đặc biệt quan trọng. Ngoài dầu thô, than và khí tự nhiên, các khoáng sản rắn là nhu cầu không thể thiếu cho sự phát triển của các ngành công nghiệp khác của nền kinh tế quốc dân. Để đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước trong thời kỳ hội nhập, một trong các nguồn lực quan trọng là khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên quặng sắt. Cho đến nay trên lãnh thổ VN đã phát hiện và khoanh định được 216 mỏ và điểm quặng sắt với trữ lượng và tài nguyên gần 1,2 tỷ tấn. Các mỏ và điểm mỏ phân bố chủ yếu ở các khu vực: Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, một số ít ở Trung Trung Bộ. Các mỏ quặng sắt có trữ lượng lớn được phân bố ở các vùng rừng núi của các tỉnh phía Bắc và Trung Bộ. Theo ”Quy hoạch thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng sắt đến năm 2010, định hướng đến năm 2020” đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số: 124/2006/QĐ-TTg ngày 30/5/2006, trong đó một số mỏ sắt lộ thiên hiện đang khai thác như: Trại Cau, Nà Lũng, Kíp Tước, v.v...sẽ được đầu tư mở rộng và nhiều mỏ khác sẽ được đầu tư mới, nhằm đáp ứng nhu cầu sắt thép cho nền kinh tế quốc dân và xuất khẩu như: Thạch Khê, Nà Rụa, Quý Xa, Sàng Thần, Tùng Bá, Tiến Bộ, v.v...Các mỏ quặng sắt lộ thiên của nước ta có cấu trúc địa chất phức tạp. Địa tầng phía trên gồm trầm tích đệ tứ, neogen và các tàn tích, đây là các loại đất yếu, độ bão hoà thấp. Địa tầng chứa quặng một số mỏ là đá hoa, đá hoa xen đá sừng, v.v... có nhiều hang karst do hoạt động của nước ngầm. Điều kiện khai thác của các mỏ quặng sắt nước ta khá khó khăn: Hầu hết các mỏ phải khai thác xuống sâu dưới mức thoát nước tự chảy, điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp, vỉa quặng có chiều dày từ mỏng đến trung bình, các vỉa quặng có điều kiện sản trạng và cấu trúc phức tạp; chúng thay đổi khá mạnh mẽ trong từng khu vực, từng độ sâu của mỏ. Nước ta nằm trong vùng khí hậu mưa mùa nhiệt đới, nên hàng năm lượng bùn và nước đổ xuống đáy mỏ nhiều, do vậy công tác vận tải,
2 xử lý bùn và thoát nước cũng là vấn đề khó khăn, công tác khai thác quặng chủ yếu tập trung vào mùa khô. Nhiều mỏ có chiều cao bờ tới 150÷550m, nên hệ số bóc giai đoạn đầu lớn, dẫn tới tăng chi phí sản xuất và hạn chế khả năng tăng sản lượng của các mỏ. Trong những năm qua các mỏ quặng sắt khai thác với quy mô sản lượng nhỏ, chủ yếu khai thác quặng deluvi, một số mỏ chưa thực hiện nghiêm túc theo thiết kế được phê duyệt như: Thông số của HTKT chưa đúng, còn chập tầng, độ dốc dọc đường lớn, v.v...Thông số HTKT và thiết bị khai thác trên các mỏ chưa đồng bộ, thiết bị lạc hậu, không phù hợp với yêu cầu khi khai thác xuống sâu trong điều kiện ĐCTV phức tạp. Do vậy, để nâng cao sản lượng các mỏ quặng sắt trong giai đoạn tới nhằm đáp ứng nhu cầu của nền kinh tế quốc dân, các mỏ cần hoàn thiện và đổi mới công nghệ, thiết bị khai thác. Trong những năm qua ở VN đã có một số nhà khoa học, trong đó có nghiên cứu sinh đã quan tâm nghiên cứu và giải quyết được một số vấn đề khó khăn trên của các mỏ quặng sắt lộ thiên. Tuy nhiên, đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu đầy đủ và hoàn chỉnh để đưa vào áp dụng trong sản xuất tại các mỏ. Đặc biệt các vấn đề xúc bốc, vận tải trên nền đất yếu, ĐBTB khai thác và đào sâu đáy mỏ phù hợp với điều kiện của từng mỏ. Với những đặc điểm trên, để đảm bảo hoàn thành kế hoạch sản lượng theo Quy hoạch, việc “Nghiên cứu công nghệ khai thác đối với các mỏ quặng sắt lộ thiên dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn phức tạp của Việt Nam” là cần thiết và cấp bách. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Trên cơ sở đặc điểm điều kiện tự nhiên của các mỏ quặng sắt lộ thiên, lựa chọn sơ đồ công nghệ khai thác và đồng bộ thiết bị xúc bốc – vận tải phù hợp với các mỏ quặng sắt khai thác dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp nói chung và cho mỏ sắt Thạch Khê nói riêng, nhằm đáp ứng yêu sản lượng và nâng cao hiệu quả khai thác cho doanh nghiệp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là các mỏ quặng sắt lộ thiên khai thác dưới
3 mức thoát nước tự chảy có điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp ở VN, chú trọng mỏ sắt Thạch Khê. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ khai thác quặng sắt lộ thiên; - Nghiên cứu về đặc điểm tự nhiên của các mỏ quặng sắt có tác động đến cơ hội phát triển ngành công nghiệp khai thác quặng sắt VN; - Nghiên cứu công nghệ khai thác có tiềm năng áp dụng cho các mỏ quặng sắt lộ thiên khai thác dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp ở VN; - Nghiên cứu các giải pháp công nghệ khai thác phù hợp với điều kiện của các mỏ quặng sắt lộ thiên dưới mức thoát nước tự chảy trong điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp ở VN. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa để phát triển, hoàn thiện; - Sử dụng phương pháp giải tích, mô hình hoá toán và trí tuệ nhân tạo; - Phương pháp phân tích, chọn lọc, so sánh và kinh nghiệm chuyên gia. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học: Góp phần bổ sung và hoàn thiện lý thuyết khai thác mỏ lộ thiên nói chung và khai thác quặng sắt lộ thiên trong điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp nói riêng. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để các Công ty khai thác quặng sắt lộ thiên tham khảo, nhằm đưa ra được những giải pháp công nghệ và kỹ thuật thích hợp, khắc phục những khó khăn do điều kiện địa chất và ĐCTV phức tạp trong quá trình khai thác, đảm bảo hoàn thành kế hoạch sản xuất. 7. Luận điểm bảo vệ 7.1. Ngoài quy mô sản lượng yêu cầu, các đặc điểm tự nhiên như nguồn gốc thành tạo, tính chất cơ lý đất đá, điều kiện ĐCTV là cơ sở để lựa chọn công nghệ khai thác và ĐBTB sử dụng cho mỏ lộ thiên.
4 7.2. Khai thác dưới mức thoát nước tự chảy và điều kiện ĐCTV phức tạp là các yếu tố có ảnh hưởng đến góc nghiêng của bờ công tác trên mỏ lộ thiên. 7.3. Để giảm tổn thất và làm nghèo cho các mỏ khai thác lộ thiên đặc biệt là các mỏ quặng sắt có điều kiện tự nhiên phức tạp và khai thác dưới mức thoát nước tự chảy cần có phương pháp khai thác chọn lọc phù hợp. 7.4. Với điều kiện khai thác trên nền đất yếu thì trong ĐBTB sử dụng (máy xúc - ô tô) cho mỏ lộ thiên, ô tô là thiết bị được ưu tiên lựa chọn đầu tiên. 8. Những điểm mới của luận án 8.1. Đã đề xuất được phương pháp phân loại mức độ phức tạp đối với các mỏ quặng sắt lộ thiên VN theo nguồn gốc thành tạo và yếu tố địa chất và ĐCTV, làm cơ sở để lựa chọn công nghệ và thiết bị khai thác phù hợp cho các mỏ; 8.2. Đã xây dựng được phương pháp xác định góc nghiêng bờ công tác cho HTKT có góc nghiêng bờ công tác lớn khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy phù hợp với điều kiện tự nhiên các mỏ quặng sắt VN; 8.3. Đã xây dựng được các sơ đồ khai thác chọn lọc phù hợp với điều kiện tự nhiên phức tạp của các mỏ quặng sắt VN khi khai thác dưới mức thoát nước tự chảy; 8.4. Đề xuất phương pháp lựa chọn ĐBTB xúc bốc – vận tải phù hợp với điều kiện các mỏ quặng sắt VN khai thác trên nền đất yếu. 9. Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của NGƯT.PGS.TS Hồ Sĩ Giao và các ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học Trường Đại học Mỏ-Địa chất, các thầy, cô giáo đã và đang công tác tại Bộ môn Khai thác lộ thiên, các Giáo sư, Tiến sĩ ngành khai thác mỏ, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Vinacomin, các Công ty khai thác quặng sắt và các bạn đồng nghiệp. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, đóng góp quý báu đó.
5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHAI THÁC SẮT LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1. Hiện trạng công tác khai thác quặng sắt ở VN 1.1.1. Tình hình khai thác và sản lượng các mỏ sắt VN Hiện tại, các mỏ sắt quặng ở VN chủ yếu khai thác quặng eluvi-deluvi, một số mỏ bước đầu khai thác quặng gốc, một số mỏ đang tiến hành đầu tư xây dựng cơ bản. Theo chủ trương của Chính Phủ từ năm 2006 trở đi các loại khoáng sản trên địa bàn cả nước không được phép xuất khẩu quặng thô; hoạt động khoáng sản phải đi kèm chế biến sâu; tuy nhiên, các doanh nghiệp do thiếu vốn hoặc quy mô sản xuất nhỏ, v v…chưa đủ điều kiện để xây dựng nhà máy chế biến và luyện gang thép, nên sản lượng của các mỏ sắt giảm so với những năm trước đây. Sản lượng của một số mỏ như: Trại Cau, Nà Lũng, Kíp Tước, Quý Xa đạt từ 100÷250 ngàn tấn/năm. Các mỏ nhỏ và điểm mỏ chỉ đạt từ vài ngàn đến vài chục ngàn tấn/năm. Công suất khai thác của các mỏ hiện nay thấp hơn rất nhiều so với công suất thiết kế được phê duyệt. Công nghệ và thiết bị khai thác ở mức trung bình, một số thiết bị khai thác cũ và lạc hậu, nên công suất khai thác bị hạn chế và không đảm bảo theo các dự án được phê duyệt. Các mỏ được cấp giấy phép tận thu thì hầu như không có thiết kế, hoặc có nhưng khi khai thác không theo thiết kế. Vì chạy theo lợi nhuận trước mắt, các doanh nghiệp khai thác tận thu đã làm tổn thất tài nguyên và làm suy giảm môi trường nghiêm trọng. Để thực hiện chủ trương của Chính phủ trong lĩnh vực khoáng sản, những năm qua một số doanh nghiệp đã triển khai đầu tư các nhà máy tuyển và luyện, đến nay các nhà máy đang trong giai đoạn xây dựng như: Khu liên hợp gang thép Cao Bằng, công suất 0,22 triệu tấn/năm; Nhà máy Gang thép Lào Cai, công suất 0,5 triệu tấn/năm; Khu liên hợp Gang thép Vũng Áng, công suất 4,5 triệu tấn/năm; Nhà máy sản xuất thép do Tập đoàn Kobelco đầu tư tại khu Công nghiệp Nghi Sơn, công suất 2,0 triệu tấn/năm, v.v... Khi các nhà máy luyện gang thép đi vào hoạt động sẽ tạo điều kiện để các mỏ gia tăng sản lượng khai thác.
6 1.1.2. Công nghệ khai thác Do đặc điểm cấu trúc địa chất phần lớn các khoáng sàng sắt VN có vỉa quặng cắm dốc với góc cắm trung bình 30o÷65o, nên hầu hết các mỏ quặng sắt lộ thiên đều được thiết kế áp dụng HTKT có xuống sâu, 2 bờ công tác, đất đá thải được đổ ra bãi thải ngoài. Các thông số HTKT của các mỏ quặng sắt lộ thiên chưa đạt yêu cầu so với thiết kế được nêu trong bảng 1.1. Trong thời gian qua, do nhu cầu thị trường trong nước không lớn, nên sản lượng các mỏ không đạt thiết kế. Tuy nhiên, để duy trì sản xuất và hoạt động kinh doanh các mỏ tập trung chủ yếu khai thác quặng, còn khối lượng đất bóc không tương ứng với thiết kế, dẫn đến tình trạng phá vỡ các thông số của HTKT. Bảng 1.1: Thông số HTKT một số mỏ Tên mỏ Đơn Chỉ tiêu Nà Lũng Trại Cau Tiến Bộ Quý Xa vị Thiết Hiện Thiết Hiện Thiết Hiện Thiết Hiện kế trạng kế trạng kế trạng kế trạng Chiều cao tầng khai 10 5 10 8 10 10 12 10 thác Chiều cao m 20 10 20 20 10÷20 10 24 tầng kết thúc Chiều rộng mặt tầng m 30÷31 15 20 15 42 43 35 50÷60 công tác Chiều rộng mặt tầng m 10÷15 3÷10 10 8 14 14 12 12 nghỉ Chiều rộng m 15÷16 4,1 13 10 8 13 20 18 dải khấu A Góc dốc độ 65÷75 55÷75 70 65 60 60 65 60 sườn tầng Góc nghiêng bờ công tác độ 28÷30 15 25 22 20 12 26 22 (φ) Nhiều khu vực của các mỏ như Nà Lũng, Kíp Tước, Bản Quân đã xảy ra chập
7 tầng, chiều rộng mặt tầng chỉ đạt từ 10÷20m, góc bờ công tác lên tới 40÷500, gây nguy hiểm cho thiết bị và người trong quá trình sản xuất. Đường vận tải trong khai trường có độ dốc lớn, có đoạn tới 14%, chiều rộng mặt đường hẹp không đảm bảo thông số thiết kế, gây khó khăn và làm giảm năng suất đối với các thiết bị vận tải. Chiều dài luồng xúc ngắn không tương xứng với điều kiện làm việc của các thiết bị khai thác. Điều đó ảnh hưởng tới khả năng tăng công suất khi thị trường có nhu cầu. Mỏ Thạch Khê đang trong thời kỳ bóc đất xây dựng cơ bản, do tầng phủ gồm cát, sét nên các thông số HTKT chưa được hình thành, các tầng cát thường bị chảy khi có mưa lớn. Để giảm sự sụt lún và sa lầy của ô tô, đường vận tải phải sử dụng đất cấp phối, rải với chiều dày từ 25÷30cm. 1.1.3. Thiết bị sử dụng trong các khâu công nghệ 1.1.3.1. Công tác làm tơi đất đá và quặng Các mỏ khai thác quặng gốc, công tác làm tơi đất đá và quặng được thực hiện bằng phương pháp KNM. Thiết bị khoan tại các mỏ có qui mô lớn là máy khoan đập cáp KZ hoặc DK có đường kính D = 200 mm, một số mỏ sử dụng máy khoan đập xoay có đường kính nhỏ. Các máy khoan do Liên Xô (cũ), Trung Quốc và các nhà máy cơ khí của VN chế tạo. Các máy khoan loại KZ và DK di chuyển chậm, không thích hợp khi làm việc trong điều kiện địa hình khó khăn, không có hoặc khả năng khoan nghiêng kém chỉ thích hợp khi khai thác quy mô nhỏ và phân tầng thấp. Năng suất của các máy khoan thấp, chỉ đạt từ 5000÷6000 mk/năm. Một số mỏ mới được đầu tư thiết bị khoan xoay đập KQG-165 (D = 165mm), nhưng tính cơ động kém đặc biệt khi làm việc trong điều kiện địa hình chật hẹp. Mỏ Nà Lũng mới đầu tư loại máy khoan thủy lực ECM-6 của hãng Atlas Copco (D = 105mm), nhưng do trình độ công nhân vận hành còn hạn chế, nên chưa phát huy hết tính năng ưu việt của loại máy khoan này [1]. Phương pháp nổ tức thời vẫn được sử dụng phổ biến trên các mỏ nhỏ, quy mô bãi nổ phần lớn từ 1000÷2000 kg/vụ. Công nghệ nổ mìn chọn lọc cũng như việc ứng dụng công nghệ nổ mìn tiên tiến chưa được quan tâm đúng mức. 1.1.3.2. Công tác xúc bốc - vận tải