Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:217

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô trên các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh khi lựa chọn thiết bị cho mỏ. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung bài viết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐOÀN TRỌNG LUẬT TỐI ƯU HÓA SỰ PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ CHO CÁC MỎ KHAI THÁC THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9520603 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS BÙI XUÂN NAM 2: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC KHOÁT HÀ NỘI - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận án này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực, chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự tham khảo cho việc thực hiện luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Đoàn Trọng Luật i
LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ kỹ thuật ngành Khai thác mỏ với đề tài “Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh” là kết quả của quá trình nghiên cứu, cố gắng không ngừng của tác giả trong suốt thời gian qua với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Mỏ - Địa chất, các nhà khoa học trong ngành mỏ, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban lãnh đạo Khoa Mỏ, Ban chủ nhiệm và tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn Khai thác lộ thiên cùng các thầy, cô giáo trong Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ để NCS hoàn thành luận án tiến sĩ của mình. NCS xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiểu ban hướng dẫn: PGS.TS Bùi Xuân Nam và PGS.TS Nguyễn Đức Khoát đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và các thông tin cần thiết cho NCS cũng như thường xuyên đôn đốc NCS làm việc và hoàn thành luận án tiến sĩ của mình đúng thời hạn. Cuối cùng, NCS xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, các anh, chị, em, bạn bè đồng nghiệp; các nhà khoa học trong ngành mỏ và các ngành khác có liên quan đã tạo điều kiện giúp đỡ NCS trong suốt thời gian học tập và làm luận án. Qua đây, NCS cũng xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên cạnh và động viên trong suốt thời gian qua để NCS hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Nghiên cứu sinh Đoàn Trọng Luật ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii KÝ HIỆU VIẾT TẮT............................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... viii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH .......................................5 1.1. HIỆN TRẠNG KHAI THÁC THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH ....5 1.1.1 Khái quát về tiềm năng than và định hướng phát triển tại vùng Quảng Ninh.... 5 1.1.2. Vị trí địa lý của các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh ....................................... 6 1.1.3. Hiện trạng khai thác tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh .......................... 7 1.2. HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG MÁY XÚC TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH .........................................................................................13 1.2.1. Hiện trạng sử dụng máy xúc tại mỏ than Đèo Nai............................................... 13 1.2.2. Hiện trạng sử dụng máy xúc tại mỏ than Cao Sơn .............................................. 20 1.2.3. Hiện trạng sử dụng máy xúc tại mỏ than Cọc Sáu............................................... 25 1.2.4. Đánh giá chung về hiện trạng sử dụng máy xúc tại 3 mỏ Đèo Nai, Cao Sơn và Cọc Sáu ............................................................................................................................. 29 1.3. HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ÔTÔ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH ......................................................................................................30 1.3.1. Hiện trạng sử dụng ôtô tại mỏ than Đèo Nai........................................................ 30 1.3.2. Hiện trạng sử dụng ôtô tại mỏ than Cao Sơn ....................................................... 35 1.3.3. Hiện trạng sử dụng ôtô tại mỏ than Cọc Sáu........................................................ 39 1.4. HIỆN TRẠNG PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH ..........................................................44 1.4.1. Hiện trạng đồng bộ thiết bị tại các mỏ than Đèo Nai, Cao Sơn và Cọc Sáu ...... 44 iii
1.4.2. Hiện trạng phối hợp máy xúc - ôtô trên các mỏ Đèo Nai, Cao Sơn và Cọc Sáu ...................................................................................................... 46 1.4.3. Một số bất cập trong sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh ............................................................................................................. 48 1.4.4. Một số giải pháp nâng cao hiệu quả đồng bộ máy xúc - ôtô tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh ..........................................................................49 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................49 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ THUẬT TOÁN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN ĐỒNG BỘ MÁY XÚC - ÔTÔ TRÊN CÁC MỎ LỘ THIÊN.................................................................................................................51 2.1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ THUẬT TOÁN TRONG NƯỚC DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN ĐỒNG BỘ MÁY XÚC - ÔTÔ .......................................................51 2.1.1. Cân đối số lượng thiết bị trong dây chuyền xúc bốc, vận tải trên các mỏ lộ thiên bằng bài toán kinh tế ........................................................................................................ 51 2.1.2. Xác định năng suất tổ hợp ôtô - máy xúc trong các mỏ lộ thiên có tính tới độ tin cậy ............................................................................................................57 2.1.3. Xác định số ôtô phục vụ cho một máy xúc trong các mỏ lộ thiên...................... 60 2.1.4. Xác định mối quan hệ giữa máy xúc và ôtô trong mỏ lộ thiên dựa trên dung tích gầu máy xúc, tải trọng ôtô và quãng đường vận chuyển ............................................... 62 2.2. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ THUẬT TOÁN NGOÀI NƯỚC TRONG VIỆC TÍNH TOÁN ĐỒNG BỘ MÁY XÚC - ÔTÔ .......................................................64 2.2.1. Thuật toán xếp hàng............................................................................................... 64 2.2.2. Thuật toán Monte Carlo và ứng dụng của nó trên các mỏ lộ thiên .................. 71 2.2.3. Nhóm các phương pháp dựa trên việc nghiên cứu các hoạt động của thiết bị trong đồng bộ:................................................................................................................... 82 2.2.4. Nhóm các phương pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo: ............................................... 85 2.2.5. Nhóm các phương pháp nghiên cứu của các nhà khoa học mỏ Liên Xô cũ:..... 88 2.2.6. Nhóm các phương pháp nghiên cứu dựa trên các chương trình phần mềm tính toán có sẵn......................................................................................................................... 89 iv
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................93 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA SỰ PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ CHO CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN ...........................99 3.1. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU QUẢ PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ TRÊN CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH ....99 3.1.1. Sử dụng nhiều chủng loại thiết bị khác nhau ....................................................... 99 3.1.2. Cung độ vận tải chưa được cập nhật theo bước dịch chuyển của gương khai thác............................................................................................................100 3.1.3. Sử dụng các thiết bị đã cũ, năng suất thấp.......................................................... 101 3.1.4. Sơ đồ xúc bốc, nhận tải chưa hợp lý ................................................................... 101 3.1.5. Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến chu kỳ vận tải .......................................... 103 3.1.6. Ảnh hưởng của chất lượng đường vận tải .......................................................... 104 3.1.7. Ảnh hưởng của loại vật liệu xúc bốc, vận tải ..................................................... 104 3.1.8. Ảnh hưởng của chu trình vận tải trên mỏ ........................................................... 106 3.2. CÁC GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA SỰ PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ TRÊN CÁC MỎ LỘ THIÊN ......................................................................107 3.2.1. Sử dụng ít chủng loại thiết bị khác nhau............................................................. 107 3.2.2. Cập nhật cung độ vận tải định kỳ theo bước dịch chuyển của gương khai thác ................................................................................................... 107 3.2.3. Không sử dụng những thiết bị quá cũ................................................................. 108 3.2.4. Tối ưu hóa các sơ đồ xúc bốc và nhận tải........................................................... 108 3.2.5. Tối ưu hóa vận tốc xe chạy (có tải và không tải) ............................................... 110 3.2.6. Nâng cao chất lượng đường vận tải .................................................................... 111 3.2.7. Sử dụng chu trình vận tải hở thay cho chu trình vận tải kín.............................. 111 3.3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA VÀ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM LỰA CHỌN ĐỒNG BỘ MÁY XÚC - ÔTÔ CHO CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH ........................................................112 3.3.1. Xác định năng suất của máy xúc......................................................................... 112 3.3.2. Xác định năng suất của ôtô.................................................................................. 114 v
3.3.3. Tính toán năng suất đồng bộ ............................................................................... 116 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ................................................................................132 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM CHO MỘT SỐ MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM OST ................133 4.1. TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM KHI XÚC BỐC, VẬN TẢI THAN CHO MỎ THAN CAO SƠN ................................................................................................133 4.1.1. Trường hợp 1........................................................................................................ 133 4.1.2. Trường hợp 2........................................................................................................ 138 4.1.3. Trường hợp 3........................................................................................................ 143 4.1.4. Trường hợp 4........................................................................................................ 147 4.2. TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM KHI XÚC BỐC, VẬN TẢI ĐẤT ĐÁ BÓC CHO MỎ THAN ĐÈO NAI ................................................................................151 4.2.1. Trường hợp 1........................................................................................................ 151 4.2.2. Trường hợp 2........................................................................................................ 155 4.2.3. Trường hợp 3........................................................................................................ 159 4.2.4. Trường hợp 4........................................................................................................ 164 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ................................................................................167 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................169 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS ..... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................171 vi
KÝ HIỆU VIẾT TẮT ĐBTB Đồng bộ thiết bị DMC Phương pháp Monte Carlo động lực DSMC Phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp FRM First Reaction Method HTKT HTKT KMC Phương pháp Monte Carlo động học KSCI Khoáng sản có ích LATS Luận án Tiến sĩ LP Linear Programming MXTLGN Máy xúc thủy lực gàu ngược NCS Nghiên cứu sinh NPV Giá trị hiện tại thực OST Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô PDF Hàm mật độ xác suất QMC Phương pháp Monte Carlo lượng tử RNG Nguồn phát số ngẫu nhiên RSM Phương pháp lựa chọn ngẫu nhiên TH Trường hợp THĐ Tổ hợp đồng bộ thiết bị khi bóc đất đá THT Tổ hợp đồng bộ thiết bị khi khai thác than TKV Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam VLXD Vật liệu xây dựng vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tổng hợp các yếu tố đất đá, vỉa than của các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh ...............................................................................................................10 Bảng 1.2. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của các mỏ than lộ thiên lớn vùng Quảng Ninh .....11 Bảng 1.3. Các thông số cơ bản của HTKT tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh 12 Bảng 1.4. Nhu cầu sử dụng thiết bị chủ yếu của mỏ than Đèo Nai ..........................13 Bảng 1.5. Các thiết bị xúc bốc đang sử dụng tại mỏ than Đèo Nai ..........................14 Bảng 1.6. Khối lượng đất bóc và năng suất của thiết bị xúc bốc ..............................17 Bảng 1.7. Các chỉ tiêu đất đá và thông số xúc bốc tại mỏ than Đèo Nai ..................18 Bảng 1.8. Tổng hợp số lượng máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn .............20 Bảng 1.9. Năng suất của các loại máy xúc đang sử dụng trên mỏ than Cao Sơn .....24 Bảng 1.10. Các thiết bị xúc bốc đang sử dụng tại mỏ than Cọc Sáu ........................25 Bảng 1.11. Khối lượng mỏ cần xúc bốc tại mỏ than Cọc Sáu ..................................27 Bảng 1.12. Năng suất các loại máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Cọc Sáu ............27 Bảng 1.13. Khối lượng vận tải hàng năm của mỏ than Đèo Nai theo thiết kế .........31 Bảng 1.14. Số lượng ôtô vận tải tại mỏ than Đèo Nai (2016)...................................33 Bảng 1.15. Năng suất vận tải của mỏ than Đèo Nai (2016) ......................................34 Bảng 1.16. Số lượng và tình trạng của các ôtô đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn năm 2016 ...................................................................................................................36 Bảng 1.17. Năng suất làm việc của các loại ôtô trên mỏ than Cao Sơn ...................38 Bảng 1.18. Thiết bị của mỏ than Cọc Sáu tính đến năm 2016 ..................................41 Bảng 1.19. Năng suất thiết bị vận tải của mỏ than Cọc Sáu năm 2016 ....................43 Bảng 1.20. Các đồng bộ máy xúc - ôtô khi bóc đất đá .............................................47 Bảng 1.21. Các đồng bộ máy xúc - ôtô khi khai thác than .......................................47 Bảng 2.1. Các thông số kinh tế - kỹ thuật của máy xúc và ôtô .................................55 Bảng 2.2. Các chỉ tiêu phân tích tình hình hoạt động của máy xúc và ôtô ...............57 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu số lượng độ tin cậy của ôtô - máy xúc trên các mỏ lộ thiên Việt Nam ...................................................................................................................59 viii
Bảng 2.4. Các biến số ngẫu nhiên tìm được theo các phân phối cơ bản...................78 Bảng 3.1. Xác định giá trị Krg theo E và dtb ............................................................114 Bảng 3.2. Xác định giá trị Kxđ theo E và dtb............................................................114 Bảng 4.1. Tổng hợp số lượng máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn ...........138 Bảng 4.2. Số lượng và tình trạng của các ôtô đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn năm 2016 .................................................................................................................138 Bảng 4.3. Tổng hợp số lượng máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Đèo Nai ...........155 Bảng 4.4. Số lượng và tình trạng của các ôtô đang sử dụng tại mỏ than Đèo Nai năm 2016 .........................................................................................................................156 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất của các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh ......8 Hình 1.2. Công tác xúc bốc đất đá tại mỏ than Đèo Nai ...........................................14 Hình 1.3. Các sơ đồ bố trí thiết bị xúc bốc đất đá theo phương thức khấu đuổi trong một nhóm tầng tại mỏ than Đèo Nai .........................................................................16 Hình 1.4. Sơ đồ a, b, d nạp xe 1 bên; sơ đồ c nạp xe 2 bên ......................................19 Hình 1.5. Công tác xúc bốc tại mỏ than Cao Sơn .....................................................21 Hình 1.6. Hộ chiếu xúc đất đá tại mỏ than Cao Sơn .................................................22 Hình 1.7. Hộ chiếu xúc than tại mỏ than Cao Sơn ....................................................23 Hình 1.8. Công tác xúc bốc tại mỏ than Cọc Sáu .....................................................25 Hình 1.9. Gương xúc bên hông sử dụng tại mỏ than Cọc Sáu ..................................26 Hình 1.10. Biểu đồ V, P = f(H) mỏ than Đèo Nai ....................................................32 Hình 1.11. Sơ đồ nhận tải của ôtô khi đào hào tại mỏ than Cao Sơn .......................39 Hình 2.1. Các trạng thái của hệ thống phục vụ đám đông chờ .................................53 Hình 2.2. Sơ đồ chuyển đổi từ trạng thái này snag trạng thái khác ..........................59 của tổ hợp ôtô - máy xúc ...........................................................................................59 Hình 2.3. Mô hình thuật toán xếp hàng của đồng bộ máy xúc - ôtô .........................64 Hình 2.4. Minh hoạt các hoạt động xúc bốc - vận tải trên mỏ lộ thiên .....................66 Hình 2.5. Các biến điểm trung chuyển và thời gian di chuyển qua các điểm...........67 Hình 2.6. Minh họa mô hình LP đơn giản xác định Xij và Tij tương ứng với 2 khu vực chất tải ................................................................................................................67 Hình 2.7. Minh họa mô hình LP mở rộng với 3 khu vực chất tải .............................69 Hình 2.8. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo .............................75 Hình 2.9. Miền biến thiên của mẫu Monte Carlo......................................................77 Hình 2.10. Sơ đồ khối mô phỏng quá trình lựa chọn ôtô ..........................................82 Hình 2.11. Sơ đồ của một hệ thống chuyên gia điển hình ........................................86 Hình 2.12. Minh họa cơ cấu thuật toán di truyền......................................................87 Hình 2.13. Giao diện chương trình FPC ...................................................................89 x
Hình 2.14. Cấu trúc dữ liệu của TALPAC ................................................................92 Hình 2.15. Giao diện phần mềm TALPAC ...............................................................92 Hình 3.1. Sơ đồ nhận tải quay đảo chiều, nạp xe 1 bên ..........................................102 Hình 3.2. Sơ đồ dỡ tải của máy xúc ........................................................................103 Hình 3.3. Sơ đồ quá trình xúc đất đá.......................................................................105 Hình 3.4. Minh họa chu trình vận tải kín ................................................................106 Hình 3.5. Minh họa chu trình vận tải hở .................................................................107 Hình 3.6. Các sơ đồ nạp xe trên mỏ ........................................................................109 Hình 3.7. Sơ đồ khối thuật toán tối ưu hóa đồng bộ máy xúc - ôtô cho các mỏ lộ thiên .........................................................................................................................121 Hình 3.8. Minh họa quá trình lựa chọn đồng bộ máy xúc - ôtô hoàn toàn mới ......123 Hình 3.9. Minh họa quá trình lựa chọn đồng bộ máy xúc – ôtô tối ưu trong số các thiết bị đã có sẵn của mỏ .........................................................................................124 Hình 3.10. Minh họa quá trình lựa chọn ôtô mới phù hợp với máy xúc đã có của mỏ .. 126 Hình 3.11. Minh họa quá trình lựa chọn máy xúc mới phù hợp với ôtô đã có của mỏ .. 127 Hình 3.12. Phần mềm tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô cho các mỏ lộ thiên (OST)...... 128 Hình 3.13. Cơ sở dữ liệu máy xúc của phần mềm OST .........................................129 Hình 3.14. Cơ sở dữ liệu ôtô của phần mềm OST ..................................................129 Hình 3.15. Đồ thị xác định năng suất đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ....................130 Hình 3.16. Các giá trị tính toán theo từng cặp máy xúc - ôtô trên phần mềm OST131 Hình 4.1. Tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô mới cho mỏ than Cao Sơn .................135 Hình 4.2. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Cao Sơn khi chọn mới máy xúc và ôtô ..................................................................................136 Hình 4.3. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Cao Sơn khi lựa chọn mới máy xúc - ôtô ..............................................................................137 Hình 4.4. Tính chọn đồng bộ máy xúc - ôtô đối với thiết bị có sẵn của mỏ than Cao Sơn sử dụng chu trình vận tải kín ...........................................................................140 Hình 4.5. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Cao Sơn với các thiết bị có sẵn của mỏ .................................................................................141 xi
Hình 4.6. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Cao Sơn với các thiết bị sẵn có của mỏ .................................................................................142 Hình 4.7. Tính chọn đồng bộ máy xúc – ôtô đối với thiết bị xúc bốc có sẵn của mỏ than Cao Sơn, sử dụng chu trình vận tải kín ...........................................................144 Hình 4.8. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc – ôtô cho mỏ than Cao Sơn với các thiết bị xúc bốc có sẵn của mỏ....................................................................145 Hình 4.9. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc – ôtô cho mỏ than Cao Sơn với các thiết bị xúc bốc sẵn có của mỏ....................................................................146 Hình 4.10. Tính chọn đồng bộ máy xúc – ôtô đối với thiết bị ô tô có sẵn của mỏ than Cao Sơn, sử dụng chu trình vận tải kín ...........................................................148 Hình 4.11. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc – ôtô cho mỏ than Cao Sơn với các thiết bị ô tô có sẵn của mỏ ..........................................................................149 Hình 4.12. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc – ôtô cho mỏ than Cao Sơn với các thiết bị ô tô sẵn có của mỏ ...................................................................150 Hình 4.13. Tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô mới cho mỏ than Đèo Nai với chu trình vận tải kín ................................................................................................................152 Hình 4.14. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi chọn mới máy xúc và ôtô với chu trình vận tải kín ..........................................153 Hình 4.15. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi lựa chọn mới máy xúc - ôtô với chu trình vận tải kín .......................................154 Hình 4.16. Tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô có sẵn cho mỏ than Đèo Nai với chu trình vận tải kín .......................................................................................................157 Hình 4.17. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi chọn máy xúc và ôtô có sẵn với chu trình vận tải kín ......................................159 Hình 4.18. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi lựa chọn máy xúc – ôtô có sẵn với chu trình vận tải kín ..................................159 Hình 4.19. Tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô cho các thiết bị máy xúc có sẵn của mỏ than Đèo Nai với chu trình vận tải kín khi vận tải đất đá trên mỏ ..........................161 xii
Hình 4.20. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi chọn đồng bộ ô tô dựa trên cơ sở dữ liệu máy xúc có sẵn của mỏ với chu trình vận tải kín ................................................................................................................162 Hình 4.21. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc – ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi lựa chọn mới ôtô dựa trên cơ sở dữ liệu máy xúc có sẵn của mỏ với chu trình vận tải kín .......................................................................................................163 Hình 4.22. Tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô cho các thiết bị ô tô có sẵn của mỏ than Đèo Nai với chu trình vận tải kín khi vận tải đất đá trên mỏ ..................................165 Hình 4.23. Đồ thị xác định các giá trị đồng bộ máy xúc - ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi chọn đồng bộ máy xúc dựa trên cơ sở dữ liệu ô tô có sẵn của mỏ với chu trình vận tải kín ................................................................................................................166 Hình 4.24. Kết quả tính toán các giá trị đồng bộ máy xúc – ôtô cho mỏ than Đèo Nai khi lựa chọn mới ôtô dựa trên cơ sở dữ liệu máy xúc có sẵn của mỏ với chu trình vận tải kín .......................................................................................................167 xiii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Theo kế hoạch phát triển ngành than, nhu cầu về sản lượng than ngày càng tăng. Các mỏ than lộ thiên vẫn đang đảm nhiệm một sản lượng lớn trong tổng sản lượng than của toàn ngành. Tuy nhiên, các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh - nơi cung cấp than chủ yếu cho đất nước đang phải tiến hành khai thác trong những điều kiện khó khăn hơn: các mỏ dần khai thác xuống sâu, khối lượng đất bóc lớn, thiếu diện tích và không gian đổ thải, chiều cao nâng tải và cung độ vận tải tăng, sự đồng bộ và phối hợp giữa các thiết bị chính trong mỏ chưa phù hợp,… Trên các mỏ than lộ thiên Việt Nam hiện nay, công tác xúc bốc và vận tải chủ yếu vẫn sử dụng máy xúc một gàu và ôtô. Tuy nhiên, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các thiết bị máy móc như máy xúc, ôtô, máy khoan,… đang ngày càng đa dạng về chủng loại và phong phú về số lượng. Như đã nói ở trên, các mỏ than lộ thiên Việt Nam nói chung và khu vực Quảng Ninh nói riêng (nơi tập trung các mỏ than lộ thiên lớn và đặc trưng nhất của ngành Than Việt Nam) đang gặp rất nhiều khó khăn trong việc lựa chọn đồng bộ thiết bị, tối ưu hóa sự phối hợp giữa các thiết bị xúc bốc và vận tải,… đặc biệt là đối với các mỏ lộ thiên lớn khi khai thác xuống sâu, điều kiện khai thác khó khăn hơn, tính chất cơ lý đất đá kém ổn định hơn, cung độ vận tải lớn hơn,… Điều này dẫn tới hiệu quả làm việc của các thiết bị không cao, ảnh hưởng tới hiệu quả sản xuất và kinh doanh của mỏ. Bên cạnh đó, việc ứng dụng những tiến bộ khoa học công nghệ của ngành công nghệ thông tin vào ngành mỏ nói chung và khai thác lộ thiên nói riêng là vấn đề được cả thế giới quan tâm và cần được nghiên cứu, ứng dụng trong ngành mỏ của Việt Nam. Trước thực trạng đó, đề tài “Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh” mà NCS lựa chọn nghiên cứu là vấn đề cấp thiết đối với các mỏ than lộ thiên Việt Nam nói chung và vùng Quảng Ninh nói riêng. Nó không chỉ mang ý nghĩa về mặt khoa học trong lĩnh vực mỏ mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong quá trình sản xuất trên các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh cũng như các mỏ lộ thiên khác có điều kiện tương tự. 1
2. Mục tiêu Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô trên các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh khi lựa chọn thiết bị cho mỏ. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: năng suất đồng bộ máy xúc - ôtô. - Phạm vi nghiên cứu: các mô hình tối ưu hóa đồng bộ máy xúc - ôtô cho các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh (gồm 3 mỏ lớn, điển hình nhất tại khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh là Đèo Nai, Cao Sơn và Cọc Sáu). 4. Nội dung nghiên cứu - Đánh giá hiện trạng phối hợp giữa máy xúc và ôtô tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh. - Tổng quan về một số thuật toán trong và ngoài nước dùng để tính toán đồng bộ máy xúc - ôtô trên các mỏ lộ thiên. - Tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh. - Tính toán thử nghiệm cho một số mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh bằng chương trình phần mềm OST. 5. Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận Để đạt được các kết quả theo định hướng trên, NCS sử dụng một số các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thống kê: Thống kê, đánh giá, xử lý các số liệu thu thập được từ các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh; - Phương pháp tra cứu: Tra cứu tài liệu từ giáo trình, sách báo, các văn bản pháp quy, các website để thu thập số liệu, tài liệu có liên quan; - Phương pháp chuyên gia: Trao đổi với các nhà khoa học, các chuyên gia về công tác quản lý, thiết kế, điều hành sản xuất và thực tiễn hoạt động trong các lĩnh vực có liên quan để có cái nhìn tổng quát về vấn đề nghiên cứu; - Phương pháp toán học: Sử dụng phương pháp xác suất thống kê để phân tích xử lý số liệu; xây dựng mối quan hệ toán học giữa các khâu công nghệ xúc bốc 2
- vận tải; xây dựng mô hình toán học xác định năng suất đồng bộ máy xúc - ôtô tối ưu về mặt kỹ thuật,…; - Phương pháp tin học: Lập trình xây dựng chương trình phần mềm tin học tính toán sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô. Hướng tiếp cận của luận án là xuất phát từ các số liệu thực tế, kết hợp với các công trình khoa học trong và ngoài nước có liên quan để đưa ra định hướng nghiên cứu. Trên cơ sở phân tích, tính toán các số liệu thực tế về năng suất đồng bộ máy xúc - ôtô tại các mỏ than lộ thiên lớn điển hình vùng Quảng Ninh trong các trường hợp khác nhau, đề xuất được phương pháp tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô về mặt kỹ thuật. Dựa trên phương pháp tối ưu xây dựng được chương trình phần mềm tính toán cho các trường hợp cụ thể. Dùng chương trình phần mềm này tính toán thử nghiệm và kiểm tra lại các kết quả đã đạt được theo mô hình đã đưa ra. Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị cần thiết. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học - Bổ sung cơ sở khoa học và phương pháp tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho mỏ lộ thiên dựa trên việc xác định năng suất đồng bộ tối ưu giữa máy xúc và ôtô theo điều kiện kỹ thuật trong cả 2 trường hợp vận tải kín và vận tải hở. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần nâng cao hiệu quả phối hợp giữa máy xúc và ôtô cũng như nâng cao năng suất cho các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh với các phương án máy xúc và ôtô khác nhau; - Xây dựng được phần mềm tính chọn đồng bộ máy xúc - ôtô tối ưu cho các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh. 7. Điểm mới của luận án - Đã đánh giá toàn diện về các phương pháp tối ưu hóa đồng bộ máy xúc - ôtô trên mỏ lộ thiên; 3
- Đã xây dựng được phương pháp tối ưu hóa sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô cho các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh; - Đã xây dựng được chương trình phần mềm OST dùng để lựa chọn các đồng bộ máy xúc - ôtô tối ưu về mặt kỹ thuật cho các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh. 8. Luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Cung độ vận tải và chu trình vận tải (kín - hở) có ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất đồng bộ máy xúc - ôtô trên các mỏ than lộ thiên. - Luận điểm 2: Trình tự lựa chọn đồng bộ máy xúc - ôtô không còn phụ thuộc vào việc chọn máy xúc trước hay ôtô trước mà phải chọn đồng thời cả máy xúc và ôtô để cân đối năng suất làm việc giữa các thiết bị xúc bốc và vận tải một cách hợp lý; - Luận điểm 3: Tỉ số giữa năng suất của máy xúc và năng suất của ôtô đạt giá trị tiệm cận 1 là giá trị tối ưu nhất về mặt kỹ thuật cho sự phối hợp giữa máy xúc và ôtô trên các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh. 9. Cấu trúc của luận án Luận án được cấu trúc gồm: mở đầu, 4 chương, kết luận - kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung luận án được trình bày trong 206 trang đánh máy khổ A4 với 31 bảng biểu, 56 hình minh họa và 68 tài liệu tham khảo. 10. Các ấn phẩm đã công bố Theo hướng nghiên cứu của luận án, NCS đã công bố 8 công trình đang trong các tạp chí chuyên ngành mỏ, hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ trong nước và quốc tế. 4
CHƯƠNG 1 ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG PHỐI HỢP GIỮA MÁY XÚC VÀ ÔTÔ TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH 1.1. HIỆN TRẠNG KHAI THÁC THAN LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH 1.1.1 Khái quát về tiềm năng than và định hướng phát triển tại vùng Quảng Ninh Quảng Ninh là tỉnh ven biển thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, được ví như một “Việt Nam thu nhỏ” vì có cả biển, đảo, đồng bằng, trung du, đồi núi và biên giới. Trong quy hoạch phát triển kinh tế, Quảng Ninh vừa thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc, vừa thuộc vùng duyên hải Bắc Bộ và đây là tỉnh khai thác than chính của Việt Nam. Với sản lượng chiếm 50% tổng sản lượng than khai thác được trong năm 2016 thì các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh (chủ yếu và điển hình tại khu vực Cẩm Phả) vẫn đang và vẫn tiếp tục có vai trò quan trọng trong ngành Than của Việt Nam [13]. Theo quy hoạch phát triển than các vùng Uông Bí, Hòn Gai và Cẩm Phả đến năm 2020, tổng tài nguyên trữ lượng cả ba vùng, khoảng 8,6 tỷ tấn (trong đó vùng Uông Bí trên 5 tỷ tấn; Hạ Long trên 1,2 tỷ tấn; Cẩm Phả trên 2,2 tỷ tấn). Tài nguyên, trữ lượng than huy động vào quy hoạch đến năm 2020 là hơn 1,1 tỷ tấn; đến năm 2015 thực hiện xong các đề án thăm dò phần tài nguyên và trữ lượng than thuộc tầng trên mức -300m. Giai đoạn 2016 - 2020, hoàn thành cơ bản công tác thăm dò đến đáy tầng than [13]. Theo kế hoạch phát triển ngành Than, nhu cầu về sản lượng ngày càng tăng, các mỏ than lộ thiên phải đảm nhiệm sản lượng mỏ chiếm 60% (năm 2010) và sẽ duy trì 45÷50% trong tổng sản lượng của toàn ngành từ sau năm 2020. Trong khi các mỏ than lộ thiên đang phải tiến hành khai thác với điều kiện ngày càng khó 5
khăn hơn: khai thác xuống sâu dưới mức thoát nước tự chảy, khối lượng đất bóc của các mỏ tăng nhanh, chiều cao nâng tải và cung độ vận tải lớn,.... Để đánh giá hiện trạng phối hợp giữa máy xúc và ôtô tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh, NCS tiến hành khảo sát chi tiết tại 03 mỏ than lộ thiên lớn, điển hình tại khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh, đó là các mỏ: Đèo Nai, Cao Sơn và Cọc Sáu. Các mỏ này điển hình cho tất cả các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh về điều kiện tự nhiên, kỹ thuật, công nghệ khai thác và thiết bị sử dụng. 1.1.2. Vị trí địa lý của các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh 1.1.2.1. Mỏ than Đèo Nai Mỏ than Đèo Nai thuộc thị xã Cẩm Phả - Quảng Ninh, nằm trong giới hạn tọa độ (hệ tọa độ VN-2000, kinh tuyến trục 105o, múi chiếu 6o): X = 2327694 ÷ 2324705; Y = 738178  741536 Phía Đông giáp mỏ than Cọc Sáu. Phía Tây giáp công trường +110 mỏ than Thống Nhất. Phía Nam giáp khu vực dân cư các phường Cẩm Đông, Cẩm Tây, Cẩm Sơn - Thành phố Cẩm Phả. Phía Bắc giáp mỏ than Cao Sơn và mỏ than Khe Chàm. Mỏ than Đèo Nai đang khai thác với diện tích 6,06 km2, trữ lượng khai thác 42,5.106 tấn [13]. 1.1.2.2. Mỏ than Cao Sơn Mỏ than Cao Sơn thuộc địa bàn phường Cao Sơn, và phường Mông Dương - Thành phố Cẩm Phả, cách trung tâm thành phố 4 km về hướng Đông Bắc. Khai trường mỏ Cao Sơn nằm trong khoáng sàng than Khe Chàm với tọa độ (hệ VN2000, kinh tuyến trục 1050 múi chiếu 60): X = 26.880  28.330; Y = 427.900  429.250; Z = Từ lộ vỉa  80 m Phía Đông giáp khai trường mỏ than Mông Dương. Phía Tây giáp mỏ Đông Đá Mài. Phía Nam giáp các mỏ Đèo Nai và Cọc Sáu. Mỏ than Cao Sơn có diện tích khu vực khai thác là 4,87 km2 và trữ lượng khai thác 48,13.106 tấn [11]. 6