BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BÙI THANH NHU

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ
HỢP LÝ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DI ĐỘNG DÙNG TRONG
KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CÓ GÓC DỐC ĐẾN 25
0

VÙNG QUẢNG NINH
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014
BÙI THANH NHU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014


HÀ NỘI - 2014
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực. Những kết quả của luận án chưa từng
được ai công bố.
Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2014
Tác giả luận án Bùi Thanh Nhu

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

2.1. Tác động tương hỗ giữa vì chống và đất đá mỏ 37
2.2. Ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì
chống và đá vách 40
2.3. Một số giả thuyết về áp lực mỏ 44
2.3.1. Giả thuyết áp lực mỏ vòm cân bằng tự nhiên của giáo sư Protodiakonov
M.M 44
2.3.2. Lý thuyết các block liên động do Kuznesov G.H. 47
2.4. Lý thuyết về cơ học môi trường liên tục 48
2.4.1. Ten xơ ứng suất 48
2.4.2. Định luật Húc 48
2.4.3. Ứng suất tương đương Von – Mises 50
2.5.Lý thuyết về ống dày 52
2.5.1. Khái niệm ống dày: 52
2.5.2. Công thức tính ứng suất và chuyển vị 53
Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ
CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC 58
3.1. Nghiên cứu khả năng chịu tải của giá khung 58
3.1.1. Các bước công nghệ khai thác được mô tả như sau: 58
3.1.2. Số liệu về việc sử dụng giá khung thủy lực di động của Tập đoàn Than-
Khoáng sản Việt Nam 59
3.1.3. Kết quả áp dụng thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong
nước tại Công ty than Nam Mẫu - Vinacomin 60
3.1.4. Phân tích về khả năng chịu tải của giá khung: 64 3.2.Tính toán mái trên 65
3.2.1. Thiết lập công thức kiểm nghiệm độ bền mái trên 65
3.2.2. Nghiệm bền mái trên của khung giá ZH 1600/16/24Z 69
3.2.3. Ứng dụng mô phỏng số vào nghiệm bền kết cấu mái trên 70
3.3. Nghiên cứu tính toán, nghiệm bền cột chống 74


Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
l
t

Chiều rộng toàn phần mm
l
ab

Chiều rộng lò chợ mm
l
s

Chiều dài consol- bước sập đổ trần than và đá vách
phá hỏa
mm
q
Tải trọng vách trực tiếp lên vì chống N/mm

R
1

Tải trọng lên cột phía trước N
R
2

Tải trọng lên cột phía sau N
M
u
Mô men uốn Nmm

Ứng suất tiếp MPa
1


Ứng suất chính theo phương 1 MPa
2


Ứng suất chính theo phương 2 MPa

3


Ứng suất chính theo phương 3 MPa

yield


Giới hạn chảy MPa Von Mies Điều kiện dẻo Von Mies MPa
Tresca Điều kiện dẻo Tresca MPa


Khoảng cách từ tâm đến các điểm trên thành xylanh,
21
rr 



Bảng 1.4. Thông số kích thước và kết quả tính toán nghiệm bền 34
Bảng 1.5. Thông số kích thước và kết quả tính toán nghiệm bền 35
Bảng 3.1. Kết quả tính toán của mái trên trong trường hợp chịu tải 160 tấn 69
Bảng 3.2. Các giá trị về đặc trưng hình học, vật liệu của cột chống 87
Bảng 4.1. Kết quả tính toán kích thước hợp lý cho mái trên 91
Bảng 4.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý cho cột chống 101
Bảng 4.3. Kích thước hợp lý cho mái trên 103
Bảng 4.4. Kích thước hợp lý cho cột chống 104 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Quan hệ giữa chiều dày vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá 9
Hình 1.2. Quan hệ giữa góc dốc vỉa với tổng trữ lượng
10
có khả năng cơ giới hoá
10
Hình1.3. Quan hệ giữa chiều dày, góc dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ
giới hoá 11
Hình 1.4. Quan hệ giữa chiều dài theo phương khu vực khai thác 12
với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá 12
Hình 1.5. Quan hệ giữa phạm vi giới hạn chiều dài theo phương khu vực 13
khai thác với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá 13
Hình 1.6. Quan hệ giữa chiều dài theo theo độ dốc khu vực khai thác 14
với tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá 14
Hình 1.7. Hình ảnh cột chống thủy lực đơn. 16
Hình 1.8. Giá thủy lực di động 17
Hình 1.9. Giá thủy lực di động dạng khung mã hiệu ZH. 18
Hình 1.10. Giàn chống tự hành mã hiệu ZZ và ZDB. 20
Hình 1.11. Giàn chống tự hành KDT-1. 20
Hình 1.12. Giàn chống TH- 2ANSH 20

nghiệm 62
Hình 3.4. Biểu đồ phân bố áp lực mỏ tại lò chợ mức +150 +180 vỉa 5 T.IC  T.I
Công ty than Nam Mẫu 63
Hình 3.7. Giả thiết về sơ đồ chịu tải của mái trên 65
Hình 3.8. Mô hình tính toán nghiệm bền cho mái trên 65
Hình 3.9. Tiết diện mặt cắt ngang của mái trên 68
Hình 3.10. Tiết diện mặt cắt ngang hợp lý của mái trên tương ứng trường hợp
160T, độ bền cho phép []=510 MPa, hệ số an toàn n = 1.5 69
Hình 3.11. Mô hình hình học khi mô phỏng tính toán 71
khả năng chịu tải mái trên 71 Hình 3.13. Ứng suất tương đương Von – Mises 72
Hình 3.14. Các thành phần ứng suất chính A, B, C; biến dạng tương đương của
mái D 73
Hình 3.15. Mô hình hình học 78
Hình 3.16. Kết quả về phân bố trường ứng suất cho trường hợp áp suất trong
xylanh 20 MPa 78
Hình 3.17. Đồ thị sự phân bố ứng suất tương đương theo chiều dày thành, tương
ứng trường hợp r
1
= 55 mm; r
2
= 60 mm. 79
Hình 3.19. Đồ thị sự phân bố ứng suất tương đương lớn nhất khi thay đổi áp suất
và chiều dày thành, tương ứng trường hợp r
1
= 55 mm. 80
Hình 3.21. Đồ thị xác định tải trọng tới hạn của cột chống 88
Hình 4.1. Sự phụ thuộc kích thước h

rất quan trọng. Vì vậy việc nghiên cứu phát triển công nghệ, thiết bị chống
giữ lò luôn được quan tâm.
Các mỏ khai thác than hầm lò ở nước ta hiện nay dùng chủ yếu là cột
chống thủy lực đơn và giá thủy lực di động. Các loại giá này đều phải nhập từ
nước ngoài.
Qua nghiên cứu các loại thiết bị chống ở mỏ hầm lò Việt nam, giá
khung thủy lực có kết cấu đơn giản, dễ vận hành, được nhiều mỏ sử dụng.
Việc áp dụng giá khung di động tại các mỏ than hầm lò Việt Nam trong
thời gian qua tuy mới ở giai đoạn thử nghiệm, nhưng đã có kết quả đáng
khích lệ, như: Nâng cao hiệu quả, an toàn, giảm tổn thất tài nguyên trong khai
thác than hầm lò và có thể khẳng định chủ trương đầu tư, áp dụng rộng rãi
mô hình công nghệ này của Tập đoàn Công nghiệp Than- Khoáng sản Việt
Nam là hướng đi đúng đắn. Sự thành công của mô hình công nghệ không chỉ
góp phần phát triển bền vững lĩnh vực khai thác than hầm lò mà còn là cơ sở
quan trọng để tiến tới cơ giới hoá, hiện đại hoá ngành than Việt Nam.
2
Tuy nhiên, việc áp dụng thiết bị chống lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu
tố như điều kiện địa chất, thế nằm của vỉa, áp lực mỏ, mức độ bùng nền, công
nghệ khai thác…Vì vậy để sử dụng có hiệu quả các loại giá khung thủy lực di
động trong điều kiện hầm lò Việt Nam cần phải có những nghiên cứu, đánh
giá, lựa chọn những thông số hợp lý dùng phù hợp trong khai thác hầm lò. Từ
những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số
hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có
góc dốc đến 25
0

vùng Quảng Ninh”.

của mái trên, cột chống hợp lý, phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than
hầm lò vùng Quảng Ninh.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và lựa chọn
giá khung thủy lực di động phục vụ khai thác than hầm lò. Các kết quả nghiên
cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị tư vấn thiết kế mỏ và
thiết bị mỏ, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại học và sau đại học.
6. Nội dung luận án
Luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết
và mô phỏng quá trình chịu lực, độ ổn định và khảo sát thực tiễn giá khung
thủy lực di động chống ở mỏ hầm lò. Nội dung luận án gồm 4 chương chính
làm rõ một số vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp
lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc
dốc đến 25
0

vùng Quảng Ninh”, với các bảng biểu, hình vẽ, đồ thị và phần
phụ lục.
7. Luận điểm bảo vệ
- Thực nghiệm: Thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc có
thể tính toán áp lực làm việc thực tế của giá khung thủy lực di động tại các
mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 4
- Dùng giả thiết thanh hai bậc, ứng suất tương đương Von-Mises để
tính toán độ bền, độ ổn định của cột chống.
- Sử dụng phương pháp lập trình tính toán được các kích thước hợp lý
dành cho mái trên và cột chống dựa trên các điều kiện: tải trọng ban đầu và
vật liệu chế tạo.

0
. 6
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG
KHAI THÁC THAN HẦM LÒ
1.1. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ
hầm lò vùng Quảng Ninh.
1.1.1. Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam[8]
Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam là phát triển ổn định, bền
vững, bảo đảm hài hòa với môi trường trên cơ sở áp dụng công nghệ thăm dò,
khai thác và chế biến tiên tiến, phù hợp với điều kiện mỏ địa chất và kinh tế
xã hội ở từng vùng. Phát triển ngành than phải đạt được mục tiêu hiệu quả
kinh tế, giảm tổn thất tài nguyên, an toàn lao động, bảo vệ môi trường sinh
thái, đáp ứng tối đa nhu cầu than cho phát triển kinh tế xã hội của đất nước.
Thị trường hóa ngành than để thu hút nguồn lực của mọi thành phần kinh tế
vào đầu tư phát triển ngành; đặc biệt là thu hút đầu tư nước ngoài vào thăm
dò, khai thác than ở vùng đồng bằng sông Hồng với quy mô lớn sau 2020.
1.1.2. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hoá khai thác tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh [9]
Hiệu quả khai thác phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố công nghệ. Đối
với công nghệ cơ giới hoá khấu than ở lò chợ, điều kiện địa chất và kỹ thuật
mỏ là hai yếu tố quyết định khả năng áp dụng và hiệu quả kinh tế. Phương
pháp đánh giá khả năng áp dụng công nghệ cơ giới hoá khai thác than được
dựa trên các kết quả nghiên cứu đánh giá điều kiện địa chất và kỹ thuật mỏ
các vỉa than sẽ huy động vào khai thác tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
và tổng hợp trữ lượng các khu vực có khả năng áp dụng cơ giới hoá khai thác.
Từ đó xác định các khu vực đặc trưng và đề xuất định hướng lựa chọn sơ đồ

khai thác cơ giới hoá bao gồm: 8
- Phương pháp mở vỉa và chuẩn bị ruộng mỏ;
- Hệ thống khai thác và vận tải;
- Phương pháp chống giữ và điều khiển đá vách;
- Các thông số kỹ thuật khác và biện pháp thông gió, an toàn.
Trên cơ sở các chỉ tiêu định lượng như trên, đã tiến hành đánh giá và
phân loại các khu vực khai thác trong ranh giới quản lý của một số mỏ hầm lò
chính vùng Quảng Ninh. Đây là các khu vực, mỏ có điều kiện địa chất - kỹ
thuật mỏ đại diện cho vùng Quảng Ninh. Tổng trữ lượng các khu vực được
đánh giá là 490,190 triệu tấn. Trữ lượng các khu vực có khả năng áp dụng cơ
giới hoá trong giới hạn nghiên cứu đánh giá là 280,887 triệu tấn.
Bảng 1.1. Tổng hợp trữ lượng các khu vực huy động vào đánh giá
TT Tên khu vực, mỏ
Mức khai
Thác
Trữ lượng

địa chất
(1000T)
Trữ lượng có
khả năng cơ giới
hoá (1000T)
1 Mạo Khê
-150

-25
45.049


5 Dương Huy
-150

200
14.391

8.140

6 Khe Chàm
+38

+200
3.961

2.039

7

Mông Dương

-50

+32
17.117

16.640

Tổng cộng 490.190Hỡnh 1.1. Quan h gia chiu dy va vi tng tr lng cú kh nng c gii hoỏ

51.21
0 .7
0.74
6 .9 3
8 .4 2
13.4
7.9 9
3 .2 4
7.3 7
0 10 2 0 30 40 50 6 0
<1.2
1.21-1.5
1.51-2.0
2 .0 1- 2 .5
2 .51-3 .0
3 .0 1- 3 .5
3 .51-4 .0
4 .0 1- 4 .5
>4 .5
Giới hạn chiều dày vỉa, m
Tỷ lệ p h ần trăm so với tổng trữ lợng, %10
5.58

Phõn tớch mi tng quan gia gúc dc va vi tng tr lng cú kh
nng c gii hoỏ cho thy, tr lng cú kh nng c gii hoỏ tp trung ch
yu trong phm vi va cú dc n 35
0
chim 68,64% tng tr lng, phm
vi gii hn 25
0
35
0
chim cao nht 45,21%. Tip n phm vi gúc dc va t
35
0
45
0
chim 16,39%. Yu t gúc dc va nh hng ln n vic la chn
ng b thit b c gii hoỏ, theo kt qu phõn tớch mi tng quan gia gúc
dc va vi tng tr lng cú kh nng c gii hoỏ trong iu kin cỏc va
than vựng Qung Ninh cn xem xột la chn ng b thit b c gii hoỏ cú
kh nng khai thỏc cỏc phm vi gúc dc va n 35
0
, t 35
0
45
0
, 45
0
55
0
v
trờn 55

dốc từ 35
0
45
0
với chiều dày đến 4,5m chiếm 8,83% và chiều dày trên 4,5m
chiếm 7,56%. Các vỉa có góc dốc từ 45
0
55
0
có trữ lượng chiếm 9,39% tổng
trữ lượng có khả năng cơ giới hoá. Ngoài ra vỉa có góc dốc trên 55
0
có trữ
lượng chiếm 5,58% tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá. Trên cơ sở trữ
lượng, độ dày và góc dốc vỉa xác định phạm vi nghiên cứu lựa chọn sơ đồ
công nghệ cơ giới hoá khai thác và đồng bộ thiết bị cơ giới hoá khấu than,
chống giữ và vận tải. Hình1.3. Quan hệ giữa chiều dày, góc dốc vỉa với tổng trữ lượng có khả năng cơ
giới hoá
Một trong các yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu quả mô hình cơ
giới hoá khai thác là chiều dài theo phương khu vực khai thác. Yếu tố này ảnh


901-1000
>1000
Chiều dài theo phơng khu khai thác, m

hng ln n thi gian lp t, vn hnh, thỏo d v di chuyn ng b thit
b c gii hoỏ khai thỏc. Kt qu nghiờn cu v ỏnh giỏ yu t chiu di theo
phng khu vc khai thỏc cho thy, do nh hng ca phay phỏ kin to v
phng phỏp m va, chun b ti cỏc m hm lũ, cỏc khu vc hin ang huy
ng tr lng vo khai thỏc cú chiu di theo phng khụng ln, nh khu
vc cỏnh bc Mo Khờ cú chiu di theo phng ln nht dao ng trong
khong 700900m, khu Trung tõm Dng Huy dao ng t 600800m, khu
vc Khe Chm I dao ng t 400700m, cũn li phn ln ti cỏc m cú chiu
di theo phng khu khai thỏc t 350500m. Ti cỏc mc sõu hn, ph thuc
vo s m va v chun b cú th tng chiu di mt khu vc lờn trờn
1000m ti cỏc m Mo Khờ, Vng Danh, Dng Huy, Khe Chm. vi hin
trng khai thỏc cỏc tng ang huy ng vo khai thỏc v cỏc tng s huy ng
vo khai thỏc ca cỏc m hm lũ, t l phn trm tr lng cú kh nng c
gii hoỏ phõn theo chiu di theo phng khu khai thỏc th hin trờn hỡnh 1.4.
Hỡnh 1.4. Quan h gia chiu di theo phng khu vc khai thỏc
vi tng tr lng cú kh nng c gii hoỏ
Trờn hỡnh 1.4 cho thy, tr lng tp trung ti cỏc khu vc cú chiu di
theo phng ln hn 1000m chim 44,6% tng tr lng cú kh nng c gii
hoỏ. Tuy nhiờn, tr lng ny tp trung cỏc mc sõu m Mo Khờ, Vng