Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Tối ưu hóa các tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước trong khai thác than dưới...

Tài liệu Tối ưu hóa các tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước trong khai thác than dưới các công trình cần bảo vệ trên mặt mỏ vùng quảng ninh (tt)

.PDF
28
123
83

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ THÀNH LÂM TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC TRONG KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CÔNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ TRÊN MẶT MỎ VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã số : 62.52.06.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Công trình hoàn thành tại: Bộ môn Khai thác hầm lò Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Trần Văn Thanh, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Phản biện 1: GS.TSKH Lê Như Hùng Hội Khoa học công nghệ mỏ Phản biện 2: TS Nguyễn Anh Tuấn Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam Phản biện 3: TS Đỗ Anh Sơn Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường, họp tại………………………………….……………….. vào hồi ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... năm 2017. Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia Hà Nội, hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa Chất 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Theo Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, có khoảng 2,1 tỷ tấn trong tổng số 6,3 tỷ tấn trữ lượng, tài nguyên than hiện nay tại bể than Đông Bắc đang nằm phía dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt, đối tượng chứa nước, diện tích quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch rừng, quy hoạch vùng cấm, hạn chế khai thác khoáng sản... của tỉnh Quảng Ninh. Trong đó, khoảng 0,6 tỷ tấn nằm trong ranh giới các dự án mỏ đã được phê duyệt; khoảng 1,5 tỷ tấn hiện chưa được quy hoạch khai thác. Kinh nghiệm trên thế giới đã chỉ ra rằng, để khai thác tối đa phần trữ lượng, tài nguyên than nằm trong các trụ bảo vệ vừa hiệu quả kinh tế, đồng thời bảo vệ được các công trình, đối tượng trên bề mặt đất cần áp dụng công nghệ khai thác (CNKT) chèn lò. Tại Việt Nam, kết quả nghiên cứu trước đây đã tập trung đánh giá điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ, xác định trữ lượng cần chèn lò, đồng thời đề xuất một số sơ đồ CNKT chèn lò phù hợp với điều kiện các vỉa than vùng Quảng Ninh. Các nghiên cứu đã khẳng định tại những khu vực như vậy cần áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước. Trong khai thác chèn lò bằng sức nước, các tham số công nghệ đóng vai trò rất quan trọng, quyết định đến hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi áp dụng. Việc tối ưu hóa các tham số CNKT như chiều dài theo phương, chiều dài theo dốc lò chợ, chiều cao khấu, v.v... đã được nghiên cứu khá đầy đủ trong các công trình nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, đối với các tham số công nghệ chèn lò như mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp vật liệu chèn (VLC) với khả năng tách nước khỏi khối chèn, khả năng vận chuyển trong đường ống, độ co ngót,… hiện chưa có công trình nào ở trong nước nghiên cứu chuyên sâu, cũng như xác định được các giá trị tối ưu. Do đó, luận án “Tối ưu hóa các tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước trong khai thác than dưới các công trình cần bảo vệ trên mặt mỏ vùng Quảng Ninh” có tính cấp thiết giúp các mỏ xem xét huy động tối đa nguồn tài nguyên than, góp phần giảm tổn thất than, nâng cao hiệu quả các dự án đầu tư xây dựng mỏ hầm lò, đồng thời kéo dài tuổi thọ mỏ, đảm bảo không ảnh hưởng các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt, góp phần vào việc phát triển và làm chủ công nghệ khai thác chèn lò bằng sức nước của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam nói riêng, ngành than nói chung. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu xác định và tối ưu hóa một số tham số công nghệ chính quyết định hiệu quả áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhằm khai thác tối đa nguồn tài nguyên than, đồng thời đáp ứng 2 được các yêu cầu về giá trị dịch chuyển, biến dạng cho phép đối với các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt địa hình. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Các vỉa than nằm trong trụ bảo vệ các công trình trên bề mặt tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước với các tham số công nghệ chính liên quan. - Phạm vi nghiên cứu: Các tham số trong CNKT chèn lò bằng sức nước bao gồm (1) các tham số CNKT và (2) các tham số công nghệ chèn lò. Phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ luận án này chủ yếu tập trung nghiên cứu một số tham số công nghệ chèn lò quyết định đến hiệu quả áp dụng công nghệ như: mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC với khả năng vận chuyển trong đường ống, khả năng tách nước khỏi khối chèn, độ co ngót khối chèn và mối quan hệ giữa độ co ngót khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt, cũng như tính toán xác định bước chèn lò hợp lý khi sử dụng VLC lựa chọn trong điều kiện lò chợ cụ thể. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tổng quan kinh nghiệm áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước và đánh giá tổng hợp trữ lượng than cần chèn lò vùng Quảng Ninh. - Nghiên cứu lựa chọn một số tham số CNKT chèn lò bằng sức nước cần tối ưu hóa như khả năng vận chuyển trong đường ống, khả năng tách nước khỏi khối chèn và độ co ngót của khối chèn. - Nghiên cứu tối ưu hóa một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước vùng Quảng Ninh như tỷ lệ phối trộn VLC đảm bảo khả năng vận chuyển bằng sức nước, độ co ngót yêu cầu của khối chèn, theo hệ số thấm, xây dựng mối quan hệ giữa độ co ngót với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt đất trên cơ sở bước chèn tối ưu... - Tối ưu hóa một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước cho điều kiện lò chợ VM-K8-7 mức -150/-110 khu Vũ Môn - mỏ than Mông Dương. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp. - Phối hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. - Sử dụng máy tính để tính toán và xác định các tham số công nghệ chèn lò. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được phương pháp luận tối ưu hóa một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước phù hợp với điều kiện vùng Quảng Ninh. - Giá trị thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần xác định giá trị cụ thể của một số tham số công nghệ chèn lò bằng sức nước 3 phù hợp với điều kiện vùng Quảng Ninh, giúp các nhà tư vấn thiết kế và quản lý lựa chọn được giải pháp công nghệ chèn lò bằng sức nước tối ưu nhất nhằm khai thác triệt để trữ lượng than nằm trong các trụ bảo vệ, phát huy hết hiệu quả vốn đầu tư mở vỉa chuẩn bị và khai thác, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh, đồng thời bảo vệ được các đối tượng, công trình cần bảo vệ bề mặt. 7. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN 7.1. Xác định thành phần VLC (bao gồm cỡ hạt, loại vật liệu và khối lượng) hợp lý áp dụng cho công nghệ chèn lò bằng sức nước khi khai thác các vỉa than nằm dưới các công trình cần bảo vệ trên mặt trong điều kiện các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh. 7.2. Xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC với khả năng tách nước khỏi khối chèn, độ co ngót của khối chèn và khả năng vận chuyển trong đường ống. 7.3. Xây dựng mối quan hệ giữa độ co ngót của khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình trên cơ sở bước chèn lò tối ưu. 8. NHỮNG LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ 8.1. Khả năng vận chuyển trong đường ống của VLC phụ thuộc chủ yếu vào thành phần, cỡ hạt, khối lượng VLC. 8.2. Khả năng tách nước và độ co ngót của khối chèn phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ phối trộn hỗn hợp VLC. 8.3. Mối quan hệ giữa độ co ngót của khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt địa hình tuân theo một hàm số tuyến tính bậc nhất. 9. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án được cấu trúc gồm: phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận kiến nghị và phụ lục. Nội dung của luận án được trình bày trong 115 trang đánh máy khổ A4 với 22 bảng biểu, 49 hình vẽ và 50 tài liệu tham khảo. 10. CÁC ẤN PHẨM ĐÃ CÔNG BỐ Theo hướng nghiên cứu của luận án đã công bố 6 công trình đăng trong các tạp chí chuyên ngành mỏ, hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ trong và ngoài nước. CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP TRỮ LƯỢNG THAN CẦN KHAI THÁC CHÈN LÒ TẠI VÙNG QUẢNG NINH, TỔNG QUAN KINH NGHIỆM ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC 1.1. Tổng quan kinh nghiệm áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước 1.1.1. Khái quát chung về công nghệ chèn lò bằng sức nước Chèn lò là việc điền lấp khoảng không gian đã khai thác bằng các loại vật liệu như cát, tro, xỉ, đất đá thải... Công nghệ chèn lò được áp 4 dụng với nhiều mục tiêu như: khai thác than dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt; điều khiển áp lực mỏ; giảm tổn thất tài nguyên; ngăn ngừa nguy cơ cháy nội sinh, nổ khí và bụi mỏ, bục nước; giảm khối lượng đất đá thải đưa lên mặt đất, v.v... Các công nghệ chèn lò khá đa dạng, được phân chia theo nhiều tiêu chí, ví dụ: (1) theo mức độ lấp đầy khoảng không gian đã khai thác, được chia thành chèn lò toàn phần và chèn lò từng phần; (2) theo đặc điểm VLC, được chia thành công nghệ chèn khô và chèn ướt; (3) theo phương pháp vận tải và thi công khối chèn, được chia thành chèn lò tự chảy, cơ khí, sức nước và khí nén. Trong đó, phân loại chèn lò theo tiêu chí (3) được áp dụng phổ biến nhất. Công nghệ chèn lò bằng sức nước có ưu điểm là khối chèn có độ chặt cao, công suất chèn lớn, phù hợp với mọi điều kiện vỉa than, VLC có thể được vận chuyển bằng đường ống từ mặt bằng vào khu vực chèn lấp với khoảng cách xa, khối chèn có khả năng cách ly ổn định khoảng không đã chèn với sự thâm nhập của không khí. Nhờ những ưu điểm này, công nghệ chèn lò bằng sức nước được áp dụng phổ biến nhất trong khai thác than dưới các công trình, đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt đất tại các nước như Nga, Ba Lan, Anh, Trung Quốc, đóng góp đáng kể cho tổng sản lượng than khai thác. Bên cạnh các ưu điểm, nhược điểm của chèn lò bằng sức nước là yêu cầu về VLC cao, đặc biệt là tỷ lệ, thành phần, cỡ hạt; tính toán để vận chuyển và thi công khối chèn bằng sức nước khá phức tạp; việc đưa vào mỏ một lượng nước lớn gây áp lực cho hệ thống thoát nước mỏ và khiến điều kiện khu vực khai thác xấu đi. Với những nhược điểm nói trên, việc nghiên cứu lựa chọn các tham số công nghệ hợp lý khi áp dụng trong từng trường hợp cụ thể là hết sức cần thiết. 1.1.2. Tổng quan kinh nghiệm áp dụng CNKT chèn lò bằng sức nước CNKT chèn lò bằng sức nước được áp dụng đầu tiên trên thế giới vào những năm 80 của thế kỷ 19 tại Mỹ, tại Ba Lan (1893), và tại Đức (1894). Tại Liên Xô (cũ), những thử nghiệm đầu tiên tại Kuzbass năm 1935, sau đó triển khai với quy mô công nghiệp từ năm 1947 (mỏ Koksovoi-1, bể than Kuzbass). Ngày nay, chèn lò bằng sức nước được áp dụng phổ biến tại nhiều nước như Nga, Pháp, Đức, Ấn Độ và Trung Quốc giúp khai thác tối đa tài nguyên mang lại hiệu quả kinh tế cao, đồng thời bảo vệ được các công trình trình bề mặt. Các sơ đồ CNKT chèn lò bằng sức nước được áp dụng rất đa dạng, có thể phù hợp với mọi điều kiện chiều dày và góc dốc của vỉa than. Đối với điều kiện vỉa dốc thoải đến nghiêng người ta thường áp dụng sơ đồ CNKT chia lớp nghiêng, khấu than bằng máy combai, chống giữ gương bằng dàn chống 5 tự hành trong trường hợp vỉa dày hoặc sơ đồ CNKT khấu hết chiều dày vỉa đối với điều kiện vỉa dày trung bình. Đối với điều kiện vỉa dốc, có thể áp dụng phổ biến các sơ đồ CNKT gồm: sơ đồ CNKT cột dài theo độ dốc, khai thác toàn bộ chiều dày vỉa kết hợp chèn lò theo hướng từ dưới lên; sơ đồ CNKT cột dài theo độ dốc khai thác chia lớp nghiêng với chèn lò từ dưới lên; sơ đồ CNKT chia lớp ngang nghiêng, chèn lò theo thứ tự từ dưới lên... Trong CNKT chèn lò bằng sức nước, có thể sử dụng các loại vật liệu để chèn lấp khoảng không gian đã khai thác như: đá thải từ các gương đào lò, đuôi quặng tại các xưởng tuyển, tro xỉ thải nhà máy nhiệt điện, v.v… Thực tế cho thấy, VLC đóng vai trò quan trọng quyết định mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt, cũng như hiệu quả của công nghệ, do đó, các mỏ hầm lò trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu lựa chọn và áp dụng khá đa dạng các loại VLC cũng như giải pháp công nghệ chèn lò, phù hợp với điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ cụ thể. Để áp dụng các kinh nghiệm nước ngoài vào trường hợp vùng Quảng Ninh, cần có các nghiên cứu đánh giá và lựa chọn phù hợp. 1.2. Đánh giá tổng hợp trữ lượng than cần áp dụng CNKT chèn lò tại vùng Quảng Ninh Luận án đã tiến hành khảo sát và xác định các đối tượng công trình cần bảo vệ trên bề mặt vùng Quảng Ninh. Kết quả cho thấy, các nhóm đối tượng cần bảo vệ trên mặt gồm 3 nhóm đối tượng chính: (1) nhóm đối tượng công trình công nghiệp (đường điện, đường giao thông, mặt bằng sân công nghiệp, moong lộ thiên, v.v); (2) nhóm đối tượng dân cư; (3) nhóm đối tượng chứa nước. Phần trữ lượng than cần khai thác chèn lò dưới các công trình bề mặt nêu trên nằm phân bố rải rác tại hầu hết vùng Quảng Ninh bao gồm: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu, Hòn Gai, Hà Lầm, Núi Béo, Quang Hanh, Mông Dương và Khe Chàm. 1.2.1. Phương pháp đánh giá Trên cơ sở các tài liệu thu thập, luận án đã xác định và khoanh vùng các khu vực vỉa than nằm dưới các đối tượng cần bảo vệ bề mặt tại các mỏ Mạo Khê, Vàng Danh, Hà Lầm, Núi Béo, Mông Dương và Khe Chàm dựa trên “Quy tắc bảo vệ các công trình và đối tượng tự nhiên tránh ảnh hưởng có hại do khai thác mỏ than hầm lò” của Viện VNIMI (LB Nga, 1998). Theo đó, (1) Các đối tượng có mức độ yêu cầu bảo vệ bề mặt tương đương nhau được xếp vào cùng một nhóm; (2) Các đối tượng tập trung với mật độ lớn trong một phạm vi không gian mà trụ bảo vệ, xác định cho mỗi đối tượng, giao thoa nhau hoặc khoảng cách giữa chúng quá nhỏ và không hiệu quả để mở một diện khai thác, sẽ 6 Trữ lượng địa chất (1000T) được khoanh vùng thành một nhóm đối tượng và tính trụ bảo vệ chung cho cả nhóm; (3) Các đối tượng phân bố thưa thớt trên bề mặt mỏ hoặc có thể di dời được xem xét loại bỏ khỏi phạm vi khoanh vùng đối tượng cần bảo vệ. Sau đó, tính toán xác định ranh giới trụ bảo vệ và chiều sâu khai thác an toàn cho từng nhóm đối tượng. Trữ lượng nằm trong các trụ bảo vệ được đánh giá chi tiết theo phương pháp của viện VNIMI gồm các chỉ tiêu địa chất mỏ của khoáng sàng như: chiều dày, góc dốc, độ ổn chiều dày, góc dốc v.v… 1.2.2. Kết quả đánh giá Kết quả đánh giá cho thấy, hầu hết các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh phải để lại một phần lớn trữ lượng trong các trụ bảo vệ các công trình bề mặt địa hình và không khai thác (khoảng 4  41% tổng trữ lượng địa chất huy động). Trong đó, tập trung nhiều nhất là mỏ Núi Béo với 41% trữ lượng phải để lại làm trụ bảo vệ, tiếp theo là mỏ Hà Lầm (khoảng 38%) và mỏ Mạo Khê (khoảng 19%) (xem hình 1.1). 180000 160000 169.162 Trữ lượng địa chất toàn mỏ 147.703 144.536 140000 Trữ lượng than cần chèn lò 106.911 120000 100000 80000 60000 40000 27.632 (19%) 20000 6.980 (4%) 56.797 69.830 (38%) 52.282 28.538 (41%) 2.962 (6%) 9.234 (9%) 0 Mạo Khê Vàng Danh Hà Lầm Núi Béo Tên mỏ Mông Dương Khe Chàm Hình 1.1. Trữ lượng than cần khai thác chèn lò và trữ lượng địa chất toàn mỏ tại một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Phần lớn trữ lượng dưới đối tượng công trình công nghiệp (Nhóm 1) có yêu cầu khắt khe về mức độ biến dạng bề mặt như đường điện, đường quốc lộ, sân công nghiệp mỏ, moong khai thác lộ thiên với 64,7 triệu tấn (tương đương 49% trữ lượng chèn lò). Trong đó, tập trung chủ yếu tại mỏ Núi Béo (28,5 triệu tấn, tương đương 21,6%), Mạo Khê (19,8 triệu tấn, tương đương 15%) và Hà Lầm (16,3 triệu tấn, tương đương 12,4%). Trữ lượng than nằm dưới các khu vực dân cư (nhóm 2) khoảng 43 triệu tấn chiếm 33%, phân bố tại Hà Lầm (40,4 triệu tấn, tương đương 30,6%) và Mạo Khê (2,5 triệu tấn, tương đương 1,9%). Ngoài ra, trữ lượng than nằm dưới các đối tượng chứa nước (nhóm 3) khoảng 24,3 triệu tấn (chiếm 18%) và được phân bố tương đối đồng đều tại các khoáng sàng than Mạo Khê, Vàng Danh, Mông Dương và Khe Chàm. Trong đó, phần trữ lượng than nằm dưới các đối tượng chứa 7 nước tại khoáng sàng Mạo Khê khoảng 5,2 triệu tấn (3,9%), Vàng Danh khoảng 6,9 triệu tấn (5,3%), Mông Dương 2,9 triệu tấn (2,2%) và Khe Chàm khoảng 9,2 triệu tấn chiếm 7% tổng trữ lượng cần chèn lò vùng Quảng Ninh) (xem hình 1.2). 64.731,3 (49%) Trữ lượng than (1000T) 70000 60000 43.018,2 (33%) 50000 40000 30000 24.394,0 (18%) 20000 10000 0 Đối tượng chứa nước Khu dân cư Các công trình công nghiệp Công trình cần bảo vệ Hình 1.2. Phân bố trữ lượng dưới các nhóm công trình, đối tượng cần bảo vệ bề mặt tại các mỏ vùng Quảng Ninh CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THAM SỐ CẦN TỐI ƯU HÓA TRONG CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CÔNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ VÙNG QUẢNG NINH 2.1. Khái quát về các tham số cơ bản của CNKT chèn lò bằng sức nước Về bản chất CNKT chèn lò bằng sức nước bao gồm các công việc: chuẩn bị ruộng mỏ, khấu than, chống giữ lò chợ, điều khiển đá vách, vận tải, thông gió, thoát nước, v.v... tương tự như các CNKT khác. Điểm khác biệt chủ yếu là công tác điều khiển đá vách bằng việc đưa VLC vào điền đầy khoảng không gian đã khai thác - có thể được gọi là công nghệ chèn lò. Các tham số liên quan đến công tác khấu than và chống giữ lò chợ, vận tải than, thông gió, thoát nước, v.v..., đã được nghiên cứu khá đầy đủ trong một số công trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới như A.C. Burtracov, A.C. Malkin, M.I. Uxchinov, K.F. Sapitski, A.K. Porsevski, J. Palarski, D.R. Korovin,.v.v... hay trong nước như GS.TSKH Lê Như Hùng, TS Ninh Quang Thành, PGS.TS Đỗ Mạnh Phong, PGS.TS Trần Văn Thanh, TS Đào Danh Phượng, PGS.TS Phùng Mạnh Đắc, TS Nguyễn Anh Tuấn. Do đó, luận án sẽ không nghiên cứu các tham số liên quan đến các vấn đề nêu trên mà tập trung nghiên cứu các tham số công nghệ chèn lò. Quy trình công nghệ chèn lò bằng sức nước bao gồm: (1) Lựa chọn, gia công VLC; (2) Vận chuyển VLC bằng sức nước vào khu vực chèn lò; (3) Thi công khối chèn và tách nước khỏi khối chèn. 8 Lựa chọn, gia công VLC là công tác quan trọng đầu tiên, quyết định đến hiệu quả - kinh tế kỹ thuật của công nghệ chèn lò. Các tính chất của VLC thường được xem xét trong quá trình lựa chọn, gia công VLC gồm: tính chất cơ lý của bản thân các hạt vật liệu, tỷ lệ phối trộn các thành phần vật liệu; hình dạng, kích thước hạt và mức độ đồng đều cỡ hạt. Giá trị định lượng cho các tính chất này đều có thể được coi là các tham số công nghệ chèn lò. Việc xác định đâu là tham số cơ bản, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả chèn lò, phụ thuộc vào từng loại VLC cụ thể. Vận chuyển VLC bằng sức nước trong đường ống tuân theo các quy luật về dòng chảy trong ống. Các phương pháp vận tải bằng sức nước trong đường ống gồm: vận tải với cột áp của máy bơm (vận tải có áp); vận tải nhờ cột áp tự nhiên do chênh lệch về độ cao giữa các điểm đầu và cuối đường ống (vận tải không áp). Trong thực tế, công nghệ chèn lò bằng sức nước trên thế giới thường áp dụng phương pháp vận tải không áp với các tham số cơ bản gồm: Đường kính trong của đường ống; Độ nhám thành ống; Số lượng điểm nút và sức cản cục bộ tại các điểm nút; Tỷ lệ giữa chênh lệch độ cao (H) và khoảng cách theo phương ngang (L) giữa điểm đầu và điểm cuối của hệ thống vận chuyển (H/L). Đối với vận tải có áp, ngoài các tham số trên, còn có tham số về vận tốc dòng chảy. Ngoài ra, các tính chất của VLC cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống vận tải bằng sức nước trong đường ống. Việc thi công khối chèn gồm các công tác: dựng thành be (cốp pha) cho khối chèn, đưa ống vận chuyển đổ VLC vào khối chèn, thu hồi ống vận chuyển khi khối chèn đã được điền đầy, khi nước cơ bản tách hoàn toàn ra khỏi khối chèn công tác thi công khối chèn coi như kết thúc. Thi công khối chèn được thực hiện theo từng bước chèn, sau một hoặc một số chu kỳ khai thác. Việc lựa chọn bước chèn lò và các kích thước của khối chèn được thi công mỗi lần có ảnh hưởng đến tổ chức sản xuất, qua đó ảnh hưởng đến công suất, năng suất lò chợ, đồng thời ảnh hưởng đến độ hạ vách trong thời gian thực hiện một chu kỳ khai thác - chèn lò, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ bề mặt đất. Vì vậy, kích thước khối chèn (bao gồm bước chèn) là các tham số cơ bản của công nghệ chèn lò bằng sức nước. Trong quá trình thi công khối chèn, VLC sẽ ở lại trong khối chèn, còn nước thoát ra khỏi khối chèn qua các thành be (cốp pha). Tốc độ nước thoát ra khỏi khối chèn bằng hình thức thấm qua khối chèn tuân theo các quy luật thấm, phụ thuộc chủ yếu vào hệ số thấm của VLC. Như vậy, hệ số thấm của VLC, các giá trị định lượng về hình dạng, kích thước tổng thể của khối chèn là các tham số cơ bản của công nghệ chèn lò bằng sức nước. 9 2.2. Nghiên cứu lựa chọn một số tham số cần tối ưu hóa của VLC 2.2.1. Các tham số ảnh hưởng đến độ co ngót của khối chèn Độ co ngót (%) của khối chèn là sự biến dạng tương đối về thể tích trong điều kiện nén mà không xảy ra biến dạng ngang dưới tác dụng của áp lực đơn trục hoặc đa trục. Do đó, khối chèn có độ co ngót nhỏ (mức độ lèn chặt cao) khả năng sụt lún bề mặt cũng sẽ giảm theo. Ngược lại, khối chèn có độ co ngót lớn (mức độ lèn chặt thấp), sẽ làm tăng nguy cơ sụt lún bề mặt. Độ co ngót của khối chèn ảnh hưởng rất lớn bởi thành phần thạch học và thành phần cỡ hạt VLC. Các hạt vật liệu tròn mịn đều, thì độ rỗng và độ co ngót sẽ lớn hơn, ngược lại hạt vật liệu góc cạnh và không đều nhau, độ co ngót sẽ nhỏ hơn. Theo Рыжков Ю.А., Волков А.Н., Гоголин В.А. (Liên Xô cũ), VLC có độ co ngót đảm bảo yêu cầu khi mức độ đồng đều cỡ hạt N = d60/d10  5. Trong đó: d60 đường kính lỗ sàng đảm bảo 60% khối lượng VLC lọt qua; d10- đường kính lỗ sảng đảm bảo 10% khối lượng VLC lọt qua. Trên thế giới, người ta thường phối trộn các loại VLC theo một tỷ lệ thích hợp để có được độ co ngót khối chèn đáp ứng theo yêu cầu. Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy, tỷ lệ phối trộn các thành phần vật liệu, cỡ hạt và mức độ đồng đều về cỡ hạt của vật liệu là các tham số của VLC có ảnh hưởng lớn đến độ co ngót của khối chèn. Mối quan hệ giữa các tham số này với độ co ngót của khối chèn không có quy luật thống nhất cho tất cả các loại vật liệu, việc lựa chọn được tham số phù hợp nhất thiết phải được thực hiện bằng các nghiên cứu thí nghiệm, thử nghiệm thực tế với loại VLC cụ thể. Do đó, đây là các tham số cần nghiên cứu tối ưu. 2.2.2. Các tham số ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển trong đường ống Các kết quả nghiên cứu tại Liên Xô (cũ) và Trung Quốc đã chỉ ra rằng, cỡ hạt VLC ảnh hưởng rất lớn đến khả năng vận chuyển trong đường ống. Cỡ hạt tối đa hợp lý không nên lớn hơn 60mm. Ngoài ra, nhằm hạn chế hiện tượng tắc ống vận chuyển, cỡ hạt tối đa của VLC không vượt quá 1/3 đường kính trong của ống vận chuyển, trường hợp có hạt quá cỡ thì mức độ quá cỡ không quá 30% tỷ lệ hạt quá cỡ không vượt quá 5% khối lượng. Ngoài ra, khối lượng thể tích, độ rỗng của vật liệu cũng ảnh hưởng đến khả năng vận tải vật liệu trong đường ống. Tuy nhiên, khối lượng thể tích, độ rỗng của hạt vật liệu phụ thuộc vào điều kiện thành tạo vật liệu, là các tính chất vốn có của vật liệu (không thể thay đổi). Để cải thiện khả năng vận chuyển bằng sức nước trong đường ống, có thể thêm vào dòng chảy các thành phần có cỡ hạt rất nhỏ nhưng khối lượng riêng lớn hơn nước (ví dụ như tro bay) để hình thành 10 trạng thái huyền phù trong dòng chảy, tăng lực đẩy Acsimet đối với các hạt thô khác trong hỗn hợp. Như vậy, các tính chất của VLC như: Cỡ hạt tối đa, tỷ lệ thành phần vật liệu là các tham số công nghệ có ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển VLC bằng sức nước và cần nghiên cứu tối ưu. 2.2.3. Các tham số ảnh hưởng đến tốc độ tách nước khỏi khối chèn Trong quá trình thi công khối chèn, nước có thể tách ra khỏi khối chèn và chảy vào hệ thống thu nước hay không phụ thuộc vào khả năng thẩm thấu của VLC. Tính thẩm thấu (K) của VLC ảnh hưởng lớn đến tốc độ tách nước ra khỏi khối chèn khi tiến hành chèn lò bằng sức nước, qua đó ảnh hưởng đến thời gian một chu kỳ chèn lò và công suất của dây chuyền chèn lò. Theo kinh nghiệm của Nga, hệ số thẩm thấu yêu cầu K>0,001 cm/s, tại Ba Lan: K≥0,002 cm/s, tại Úc, Canada: K>0,0027 cm/s. Hệ số thẩm thấu phụ thuộc vào (1) cỡ hạt, độ rỗng vật liệu. (2) phụ gia đông kết và (3) thời gian thi công. Như vậy, tham số công nghệ của VLC ảnh hưởng đến tốc độ tách nước khỏi khối chèn là hệ số thấm của VLC. Tham số này chịu ảnh hưởng của các tham số khác của vật liệu như tỷ lệ thành phần, cỡ hạt tối đa, hệ số không đồng đều về cỡ hạt. 2.3. Nghiên cứu lựa chọn một số tham số cần tối ưu hóa của công tác vận chuyển và thi công khối chèn 2.3.1. Các tham số của hệ thống vận chuyển VLC Quá trình vận chuyển VLC bằng sức nước tuân theo các quy luật về dòng chảy trong đường ống, ví dụ như: - Phương trình lưu lượng: 𝑄 = 𝑣. 𝐹 (2.1) Trong đó: v - vận tốc dòng chảy; F - diện tích tiết diện ống vận chuyển. - Phương trình Becnuli đối với chất lỏng: 𝑍1 + 𝑃1 𝛾 + 𝛼1 𝑣12 2𝑔 = 𝑍2 + 𝑃2 𝛾 + 𝛼2 𝑣22 2𝑔 + ℎ𝑤 (2.2) Trong đó: Z1, Z2 - tương ứng là cao độ tại điểm đầu (1) và cuối (2) của đường ống; P1, P2 - áp suất tại điểm đầu (1) và cuối (2); v1, v2 - vận tốc dòng chảy tại điểm đầu (1) và cuối (2); α1, α2 - hệ số thay đổi động năng tính đến sự sai khác giữa dòng chảy và chất lỏng lý tưởng; g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2; hw - tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa dòng chảy với thành ống từ điểm đầu (1) điến điểm cuối (2). - Tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa dòng chảy với thành ống (theo công thức Darcy): 11 𝐿 𝑣22 𝐷 2.𝑔 ℎ𝑤 = 𝜆. . (2.3) Trong đó: Trong đó: L - chiều dài đường ống vận tải, m; D - đường kính trong của ống dẫn, m;  - hệ số tổn thất dọc đường. - Hệ số tổn thất dọc đường (theo công thức thực nghiệm của Nikuratse) 1 𝜆= (2.4) 2 𝐷 (2.lg +1,74) 2Δ Trong đó:  - độ nhám tuyệt đối của ống dẫn, m. 1. Đường kính trong của ống vận chuyển Kết hợp công thức (2.1) cho thấy, đường kính trong của ống là tham số ảnh hưởng trực tiếp đến mối quan hệ giữa lưu lượng và vận tốc dòng chảy. Theo công thức (2.3), đường kính trong của ống còn ảnh hưởng đến tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa dòng chảy với thành ống; và ảnh hưởng đến hệ số tổn thất dọc đường, theo công thức (2.4). Mặt khác, khi đã lựa chọn được VLC và xác định được các tính chất của vật liệu, như cỡ hạt, tỷ trọng thì đường kính ống cần được lựa chọn phù hợp với VLC, sao cho dòng chảy vật liệu trong ống ổn định. 2. Độ nhám của ống vận chuyển Từ các công thức (2.3), (2.4) cho thấy, độ nhám thành ống càng lớn thì hệ số tổn thất dọc đường (), và giá trị tổn thất cột áp dọc đường gây ra bởi ma sát giữa hỗn hợp chất lỏng với thành ống càng lớn. Do đó, đây là một tham số cần xem xét trong tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển VLC bằng sức nước. Mặt khác, độ nhám thành ống phụ thuộc vào chất lượng vật liệu, chế tạo, tình trạng của đường ống, nên luận án sẽ không nghiên cứu tối ưu hóa than số này. 3. Số lượng điểm nút và sức cản cục bộ tại các vị trí điểm nút Số lượng điểm nút và sức cản cục bộ tại các vị trí điểm nút là các tham số đặc trưng cho sơ đồ đường ống vận chuyển, chất lượng các vị trí nối ống. Các tham số này ảnh hưởng đến tổn thất cột áp cục bộ khi dòng chảy đi qua các vị trí điểm nút. Số lượng điểm nút càng ít (sơ đồ vận chuyển càng thẳng, ít dích dắc), sức cản cục bộ càng nhỏ thì dòng chảy càng ổn định, càng tốn ít năng lượng (nước) để vận chuyển VLC. Mặt khác, trong thực tế, sơ đồ vận chuyển VLC bẳng sức nước thường có chiều dài vận chuyển rất lớn, do đó tổn thất cục bộ (do sức cản cục bộ) thường không đáng kể so với tổn thất cột áp dọc đường. Vì vậy, các tham số này không là đối tượng nghiên cứu tối ưu hóa của luận án. 4. Tỷ lệ giữa chênh cao và khoảng cách vận chuyển (H/L) Tỷ lệ giữa chênh lệch độ cao và khoảng cách theo phương ngang giữa điểm đầu và điểm cuối của hệ thống vận chuyển (H/L) là một trong những tham số quan trọng trong tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển VLC bằng 12 sức nước trong đường ống nhờ cột áp tự nhiên. Tham số này thể hiện rằng các thông số của hệ thống vận chuyển bằng sức nước không phụ thuộc bởi giá trị tuyệt đối về chênh cao hay khoảng cách vận chuyển, mà bởi giá trị tương đối phụ thuộc vào chênh lệch chiều cao vận chuyển và khoảng cách vận chuyển (theo phương ngang). Trường hợp vận chuyển VLC bằng sức nước trong đường ống có áp. Tham số tỷ lệ (H/L) cũng rất cần thiết để xác định cột áp bổ sung (chọn máy bơm). Do đó, tỷ lệ giữa chênh cao và khoảng cách vận chuyển (H/L) là các tham số công nghệ cần tối ưu hóa khi áp dụng công nghệ chèn lò bằng sức nước cho vùng than Quảng Ninh. 2.3.2. Các tham số trong thi công khối chèn Các tham số cơ bản của công tác thi công khối chèn gồm bước chèn lò và kích thước khối chèn mỗi lần thi công. Kích thước khối chèn có ảnh hưởng đến: tổ chức sản xuất, qua đó ảnh hưởng đến công suất, năng suất của lò chợ; độ hạ vách. Đá vách hạ xuống gây ra dịch động, biến dạng trên bề mặt đất, do đó bước chèn là tham số ảnh hưởng đến mức độ dịch động, biến dạng trên bề mặt đất. Việc nghiên cứu mối quan hệ này cho phép lựa chọn được bước chèn tối ưu, vừa đảm bảo các chỉ tiêu dịch động, biến dạng trên bề mặt đất trong giới hạn cho phép của công trình, đồng thời làm cơ sở xây dựng biểu đồ tổ chức sản xuất hợp lý. 2.3.3. Các tham số trong quá trình tách nước khỏi khối chèn Khi thi công khối chèn, nước có thể ngay lập tức thấm qua khối chèn và chảy vào thể thống thu nước, cũng có thể tích tụ ở phía trên khối chèn tạo thành cột nước. Điều này phụ thuộc vào khả năng thấm nước của khối chèn. Do đó, khi tính toán thiết kế công tác thi công khối chèn, cần xem xét đến khả năng thấm nước để xây dựng thành be, hố thu nước phù hợp và cũng để lựa chọn áp dụng giải pháp tách nước sơ bộ nếu khối chèn có khả năng thấm thấp. Điều kiện để trong quá trình thi công khối chèn không tạo thành cột nước trên bề mặt là lưu lượng nước chảy vào khối chèn (QN) phải không lớn hơn lưu lượng (tốc độ) nước thoát ra khỏi khối chèn (QF): QN ≤ QF (2.5) Giá trị QF phụ thuộc vào các thông số: Lưu lượng nước chảy vào khối chèn (QN - ảnh hưởng tới hpr); Hệ số thấm của VLC (Kf); Hệ số dòng chảy tầng (liên quan đến thành phần, cấp hạt vật liệu); Chiều cao thẳng đứng của tầng khai thác (H); Kích thước cột khai thác theo phương (Lc - ảnh hưởng tới hd); Chiều dài theo phương của khối chèn (Lp); Góc dốc vỉa than (); Chiều dày vỉa than (m). Như vậy, các tham số công nghệ cần tối ưu hóa liên quan đến tốc độ tách nước của khối chèn gồm: Hệ số thấm của VLC (Kf), tỷ lệ thành phần, cấp hạt của vật liệu. 13 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ CÔNG NGHỆ CHÈN LÒ BẰNG SỨC NƯỚC ĐỂ KHAI THÁC THAN DƯỚI CÁC CÔNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ VÙNG QUẢNG NINH 3.1. Lựa chọn loại VLC phù hợp cho công nghệ chèn lò bằng sức nước tại vùng Quảng Ninh Luận án tập trung nghiên cứu vào các nguồn vật liệu sẵn có vùng Quảng Ninh gồm: (1) tro xỉ nhà máy nhiệt điện, (2) xít thải từ nhà máy tuyển và (3) đất đá thải. Việc sử dụng các nguồn VLC sẽ góp phần: (1) Giảm chi phí vận chuyển, vùi lấp bãi thải, hoàn nguyên môi trường; (2) Giảm mức độ phát thải của hoạt động khai thác mỏ; (3) Góp phần giải quyết vấn đề thiếu dung tích đổ thải tại vùng Quảng Ninh. 3.1.1. Thí nghiệm một số tính chất cơ lý của vật liệu 3.1.1.1. Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của vật liệu Thí nghiệm xác định khối lượng riêng vật liệu được thực hiện theo TCVN 4195:12. Các kết quả thí nghiệm được tổng hợp trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm xác định khối lượng riêng vật liệu Khối lượng riêng Trung bình TT Tên mẫu D (g/cm3) Dtb (g/cm3) 1 Tro đáy mịn 1 2,431 2 Tro đáy mịn 2 2,454 2,45 3 Tro đáy mịn 3 2,457 4 Tro đáy mịn 4 2,451 5 Tro đáy thô 1 2,408 2,40 6 Tro đáy thô 2 2,401 7 Tro bay 1 2,253 2,27 8 Tro bay 2 2,279 9 Xít thải 1 1,924 1,92 10 Xít thải 2 1,919 3.1.1.2. Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của vật liệu Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của vật liệu được thực hiện theo TCVN 4202:2012. Kết quả thí nghiệm xem bảng 3.2. Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm xác định khối lượng thể tích vật liệu Khối lượng riêng Trung bình TT Tên mẫu 3 D (g/cm ) Dtb (g/cm3) 1 Tro đáy mịn 1 1,133 2 Tro đáy mịn 2 1,150 1,19 3 Tro đáy mịn 3 1,243 4 Tro đáy mịn 4 1,247 5 Tro đáy thô 1 1,335 1,33 14 6 Tro đáy thô 2 1,327 7 Tro bay 1 0,527 0,52 8 Tro bay 2 0,517 9 Xít thải 1 1,265 1,26 10 Xít thải 2 1,251 3.1.1.3. Thí nghiệm xác định thành phần cỡ hạt của vật liệu Thí nghiệm thành phần cỡ hạt của vật liệu được thực hiện theo TCVN 4198 : 12. 3.1.2. Phân tích, đánh giá các kết quả thí nghiệm 1. Đá xít thải có KLR 1,92 g/cm³; khối lượng thể tích khoảng 1,26 g/cm³; cỡ hạt từ 0  20 mm, trong đó chủ yếu từ 2 ÷ 20 mm (chiếm 70% khối lượng), cỡ hạt ≤0,1 mm chiếm khoảng 1,36% khối lượng. Thành phần đá xít thải chủ yếu là sét, sét kết mềm yếu, dễ bở rời khi gặp nước, ngoài ra tồn tại một lượng không nhỏ hàm lượng sét có cỡ hạt ≤0,25mm. Đây là yếu tố bất lợi khi sử dụng làm VLC bằng sức nước. 2. Tro bay có KLR trung bình 2,27 g/cm³; khối lượng thể tích khoảng 0,52 g/cm³. Tro bay là những tinh cầu tròn, siêu mịn có cỡ hạt rất nhỏ và đồng đều, kích thước cỡ hạt từ 0  0,25 mm, trong đó các hạt từ 0,005 ÷ 0,01mm chiếm hơn 65% về khối lượng, các hạt từ 0,005 ÷ 0,1 mm chiếm khoảng 99,6% khối lượng. Như vậy: + Với thành phần là các hạt siêu mịn, tro bay vận tải bằng sức nước sẽ ở trạng thái huyền phù lơ lửng trong dòng chảy và dễ dàng vận tải; + Nếu xét theo các tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ) và Ba Lan, tro bay ở dạng riêng biệt (không pha trộn với vật liệu khác) có gần như 100% cỡ hạt ≤0,01mm, khối chèn từ tro bay có khả năng chịu tải thấp. + Do cỡ hạt nhỏ, các hạt tro bay thường xếp đặc xít lại với nhau, khó thoát nước ra khỏi khối chèn. Một số tro bay có chứa hàm lượng chất kết dính dạng Pozzolan cao, khi lượng nước trong hỗn hợp không nhiều sẽ không có hiện tượng thoát nước mà thành khối chèn rắn chắc.  tro bay phù hợp trong vai trò kết hợp với vật liệu khác làm VLC bằng sức nước. 3. Tro đáy mịn và tro đáy thô có KLR khoảng 2,40 ÷ 2,45 g/cm³; KL thể tích khoảng 1,2 ÷ 1,3 g/cm³; có cỡ hạt gần tương đồng với nhau với đa số các hạt từ 0,1 ÷ 1 mm, chiếm khoảng 80%. Tuy nhiên, trong khi tro đáy mịn có nhiều hơn các hạt <0,25mm và không có các hạt >2mm thì tro đáy thô có chứa khoảng 5 ÷ 10% các hạt có kích thước từ 1 ÷ 5mm, đôi khi có cả các hạt 10mm. Nếu sử dụng tro đáy làm VLC thủy lực sẽ có được khối chèn lý tưởng với các tính chất như thoát nước nhanh, chịu được áp lực lớn với mức độ co ngót, biến dạng nhỏ. Tuy 15 nhiên, tro đáy rất khó vận chuyển bằng đường ống thủy lực, do có tỷ trọng lớn (2,4 ÷ 2,45 g/cm3), khi vận tốc dòng chảy không đủ lớn sẽ nhanh chóng chìm xuống đáy gây tắc ống. Nếu kết hợp tro đáy với tro bay theo tỷ lệ phù hợp sẽ tạo thành hỗn hợp VLC vừa có khả năng vận chuyển bằng sức nước, vừa đáp ứng các yêu cầu về chất lượng khối chèn. Do đó, luận án lựa chọn nghiên cứu tối ưu hóa các tham số công nghệ chèn bằng sức nước nước với VLC là hỗn hợp tro đáy và tro bay. 3.2. Nghiên cứu tối ưu hóa các tham số của VLC 3.2.1. Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn VLC theo độ co ngót yêu cầu của khối chèn - Phương pháp tối ưu: phương pháp nén trong phòng thí nghiệm. Cách thức thí nghiệm: (1) Trộn VLC theo các tỷ lệ (1TB : 4TĐ; 1N : 2TB : 4TĐ; 1N : 2TB : 6TĐ...); (2) Nén đơn trục trong điều kiện không nở hông; (3) Ghi lại các giá trị đo biến dạng. - Kết quả thí nghiệm: Tỷ lệ co ngót của các mẫu vật liệu dưới áp lực nén từ 0 ÷ 1,2 MPa dao động trong khoảng 5 ÷ 20%. Trong đó, tỷ lệ tro đáy càng cao thì mức độ co ngót càng nhỏ. Tuy nhiên, tỷ lệ tro bay càng cao thì độ liên kết của mẫu vật liệu càng tốt. Các mẫu có tỷ lệ tro đáy lớn (trên 90%) sau khi khô thường bở rời như cát và có độ liên kết kém, những mẫu có từ 10% tro bay thường có độ liên kết tốt. 3.2.2. Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn VLC theo khả năng vận chuyển bằng sức nước - Lựa chọn phương pháp tối ưu: thí nghiệm trên mô hình mô phỏng hệ thống đường ống vận chuyển VLC bằng sức nước. - Xây dựng mô hình: Luận án đã tiến hành thử nghiệm trên 2 mô hình mô phỏng hệ thống đường ống vận chuyển VLC bằng sức nước. Mô hình thứ nhất với tỷ lệ đường kính ống trên mô hình : đường kính ống thực tế (dự kiến là ống HDPE với Φ100) xấp xỉ 1:5, sử dụng ống nhựa PVC đường kính trong Φ19 làm đường ống vận chuyển. Mô hình thứ hai có tỷ lệ xấp xỉ 1:2, sử dụng ống nhựa PVC Φ46 (xem hình 3.1). +7,1 +13,1 +16,5 +1,7 ±0 Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm 16 Các kết quả thí nghiệm cho thấy, khi hàm lượng tro bay trong nước không đủ, thì tro đáy thường lắng đọng trong đường ống gây tắc nghẽn, đặc biệt tại các điểm nút. Còn khi hàm lượng tro bay quá lớn, hỗn hợp sẽ trở nên khô cứng, vón cục và mất đi tính lỏng để có thể chảy được. Thí nghiệm đã xác định được tỷ trọng hỗn hợp nước với tro bay khoảng D = 1,36 ÷ 1,38 g/cm³ là hợp lý, khi đó tỷ lệ nước : tro bay hợp lý là (1N : aTB) với a có giá trị từ 2 (tro khô) đến 3,1 (tro ẩm ướt). Tỷ lệ tối ưu của nước với tro bay và tro đáy có dạng (1N : (2 ÷3,1)TB : bTĐ). Trong đó, chỉ số b phụ thuộc vào cỡ hạt của tro đáy, cỡ hạt tro đáy càng nhỏ thì chỉ số b càng lớn. Với tro đáy có cỡ hạt ≥4 mm, chỉ số b thường < 1; cỡ hạt tro đáy từ 2 ÷ 4mm, giá trị b có thể đến 1,5. Để xác định được tỷ lệ hỗn hợp tối ưu trong thực tế, cần thay đổi lượng tro đáy trong hỗn hợp đến khi nhận được tỷ trọng hỗn hợp khoảng D = 1,48 ÷ 1,56 g/cm³. Hỗn hợp có tỷ trọng D lớn hơn thường xuyên gây tắc ống. Nếu coi tỷ lệ nước : tro bay có dạng (1N : aTB), ta có: 1 𝑉ℎℎ 𝐷 = 𝑉𝑛 (𝛾𝑛 + 𝑎𝛾𝑇𝐵 )/𝑉ℎℎ hay 𝑎 = 𝛾 × (𝐷. 𝑉𝑛 − 𝛾𝑛 ) (3.1) 𝑡𝑏 Trong đó: Vn - Thể tích nước tham gia hỗn hợp; Vhh - Thể tích hỗn hợp nước với tro bay; γn, γtb - Thể trọng của nước và tro bay. Như vậy, tỷ trọng của hỗn hợp TB:N là tối ưu khi tỷ lệ thể tích (a) của tro bay được xác định theo công thức (3.1), trong đó D1 là một hằng số thực nghiệm, có thứ nguyên là [g/cm³]. Trong trường hợp của mô hình thử nghiệm, giá trị tối ưu này nằm trong khoảng D = 1,36 ÷ 1,38 g/cm³. 3.2.2. Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn VLC theo hệ số thấm - Lựa chọn phương pháp tối ưu: thí nghiệm cột áp không đổi theo TCVN 8723:2012. Nghiên cứu đã thực hiện tổng số 06 mẫu thí nghiệm với các tỷ lệ phối trộn tro bay, tro đáy khác nhau. Trong đó, 05 mẫu xác định được hệ số thấm, 01 mẫu không xác định được. Từ kết quả thí nghiệm, luận án đã xây dựng đồ thị như tại hình 3.2. Hình 3.2. Kết quả xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ thành phần tro bay với hệ số thấm của hỗn hợp vật liệu chèn (tro bay + tro đáy) 17 Phân tích kết quả thí nghiệm cho thấy, với mẫu thí nghiệm gồm 100% tro đáy cho kết quả hệ số thấm lớn nhất (0,0149 cm/s). Hệ số thấm giảm dần theo sự gia tăng tỷ lệ thành phần tro bay trong hỗn hợp vật liệu. Khi tỷ lệ thành phần tro bay trong hỗn hợp là 50%, hầu như không thể đo được hệ số thấm bằng dụng cụ thí nghiệm đã sử dụng. Như vậy, hệ số thấm của hỗn hợp VLC từ tro đáy, tro bay tỷ lệ nghịch với tỷ lệ thành phần tro bay trong hỗn hợp, khi tỷ lệ trong bay trong hỗn hợp khoảng 50% và lớn hơn, khối chèn sẽ rất khó tách nước. Như vậy, tỷ lệ tro bay trong hỗn hợp tỷ lệ thuận với khả năng vận chuyển VLC bằng sức nước trong đường ống, tỷ lệ nghịch với độ co ngót của khối chèn và hệ số thấm của VLC. Trường hợp tỷ lệ này không thể đáp ứng được đồng thời các yêu cầu về vận chuyển bằng sức nước, độ co ngót của khối chèn và hệ số thấm. Để giải quyết vấn đề này có thể áp dụng một số giải pháp, như: tách nước và tro bay sơ bộ trước khi đưa vào khối chèn; sử dụng phụ gia xi măng hoặc phụ gia đông kết khác để thi công khối chèn không tiết nước. 3.3. Nghiên cứu tối ưu hóa các tham số về vận chuyển VLC và thi công khối chèn 3.3.1. Nghiên cứu tối ưu hóa tham số tỷ lệ giữa chênh cao và khoảng cách vận chuyển (H/L) Để tối ưu hóa tỷ lệ giữa chênh cao và khoảng cách vận chuyển (H/L), luận án tiến hành xem xét bài toán xây dựng công suất của hệ thống vận chuyển VLC bằng sức nước theo các công trình nghiên cứu của Viện mỏ IGD(Liên Xô cũ). Kết quả cho thấy, công suất của hệ thống vận chuyển VLC phụ thuộc bởi tỷ lệ L/H (hay l/h). Mặt khác, khi tăng tỷ lệ L/H đến một giá trị nhất định, công suất vận tải VLC QR của hệ thống giảm xuống theo đồ thị dạng hypebol. Các thông số còn lại cũng thay đổi lớn khi tỷ lệ L/H vượt qua giá trị 5,3 (được gọi là giá trị (L/H)’). Điều này được lý giải như sau: khi L/H < (L/H)’ giá trị p - tỷ trọng của dung dịch VLC bằng giá trị giới hạn 𝑝 = 𝛾′𝑝.𝑚 công suất của hệ thống tiến tới giá trị tối đa với vận tốc vận tải lớn hơn vận tốc tới hạn. Còn khi L/H > (L/H)’ giá trị p nhỏ hơn giá trị giới hạn 𝛾′𝑝.𝑚 . Điều này cho thấy, hiệu suất tối ưu của hệ thống vận tải đạt được khi 𝑝 = 𝛾′𝑝.𝑚 . Trong trường hợp tuyến đường vận tải lớn hơn giá trị cho phép, tức là tỷ lệ (L/H)>(L/H)GH, để đảm bảo không bị tắc ống khi vận hành, cần giảm tỷ trọng giới hạn của dòng chảy VLC 𝛾′𝑝.𝑚 . Giá trị 𝛾′𝑝.𝑚 được tính toán theo công thức: 18 𝑙 𝛾′𝑝.𝑚 = (1−𝐾𝑄 𝑄𝑡2 )+(𝐾−𝐾𝑄 𝑄𝑡2 )𝐻 𝐾 (3.2) 𝑙 𝐻 Trong đó: l - chiều dài theo phương ngang của phần dòng chảy VLC. tỷ trọng giới hạn (𝛾′𝑝.𝑚 ). Như vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy, ngoài các tham số hệ thống đường ống như tỷ lệ (H/L), đường kính ống, độ nhám thành cống và sức cản cục bộ, công suất của hệ thống vận chuyển VLC còn phụ thuộc rất lớn vào tỷ trọng của hỗn hợp VLC với nước. 3.3.2. Tối ưu hóa đường kính ống vận chuyển Để xác định đường kính ống tối ưu, cần cho trước điều kiện lưu lượng dòng chảy yêu cầuvà quãng đường vật chuyển vật liện chèn bằng sức nước. Lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy và đường kính theo công thức: 3600.𝑣 .𝜋.𝐷 2 2 𝑄ℎℎ = , m3/giờ (3.3) 4 Trong đó: v2 - vận tốc dòng chảy khi thoát ra khỏi miệng ống vận tải VLC, m/s; D - đường kính ống vận tải VLC. Vận tốc v2 được xác định dựa trên phương trình cân bằng năng lượng Becnoulli tại mặt cắt 1-1 (tại điểm đầu) và mặt cắt 2-2 (điểm cuối) với mặt chuẩn là mức cao của điểm 2. Sau khi tính toán được vận tốc v2, thay vào công thức (3.3) ta có phương trình: 𝐻= 2 𝑄ℎℎ [𝜀 2𝑔(900𝜋𝐷 2 )2 + 𝛴𝐿 𝐷 2∆ (2𝑙𝑔 +1,74)2 𝐷 ] (3.4) Giải phương trình nói trên nhận được giá trị đường kính ống tối ưu. 3.4. Xác lập mối quan hệ giữa độ co ngót của khối chèn với mức độ sụt lún, biến dạng bề mặt bằng phương pháp mô hình số hóa 3.4.1. Xây dựng mô hình số mô phỏng lò chợ khai thác chèn lò - Lựa chọn các thông số đầu vào: Chiều dày vỉa than mô phỏng: 3m, Độ sâu khai thác của mô hình: 200m. - Các thông số đất đá mô phỏng: tương tự với đặc điểm địa tầng đặc trưng vùng Quảng Ninh, gồm (1) Các lớp sét kết, bột kết, cát kết và cuội kết xen kẽ với chiều dày mỗi lớp trung bình 10m; (2) Vỉa than. - Đặc điểm mô hình: dạng 2D, kích thước 500x200m (chiều dài x chiều sâu). Vật liệu biến dạng dẻo (Strain - Softening) mô phỏng vỉa than; Vật liệu đàn hồi dẻo (Mohr - Coulomb) thể hiện đất đá vách và trụ vỉa. Vật liệu đàn hồi (Double - yield) thể hiện VLC. 3.4.2. Khai thác lò chợ chèn lò trên mô hình số - Trình tự khai thác mô hình: khai thác với bước chèn 4m (cứ mỗi bước khai thác 4m sẽ tiến hành chèn lò 4m) (xem hình 3.3).
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan