Header Page 1 of 148.

BÙI THANH NHU

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

BÙI THANH NHU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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 250
VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014
Footer Page 1 of 148.

HÀ NỘI - 2014


Header Page 2 of 148.

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

BÙI THANH NHU


Footer Page 3 of 148.


Header Page 4 of 148.

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
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG KHAI THÁC
THAN HẦM LÒ .................................................................................................... 6
1.1. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh. .......................................................................................... 6
1.1.1. Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam .......................................... 6
1.1.2. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hoá khai thác tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh .......................................................................................... 6
1.2. Giới thiệu thiết bị chống ở một số nước trên thế giới ............................. 15
1.2.1. Giới thiệu khái quát về cột chống thủy lực đơn................................... 16
1.2.2. Giới thiệu khái quát về giá thủy lực di động và giá thủy lực di động
dạng khung. .................................................................................................. 16
1.2.3. Giới thiệu khái quát về giàn chống thủy lực tự hành. .......................... 19
1.3. Giới thiệu thiết bị chống ở các mỏ hầm lò Việt Nam. ............................ 20
1.3.1. Cột chống thủy lực đơn DZ22 và NDZ22 .......................................... 21
1.3.2. Giá đỡ thủy lực di động XDY ............................................................. 21
1.3.3. Giàn chống tự hành ZZ3200 .............................................................. 22
1.3.4. Giàn chống tự hành VINALTA ......................................................... 22
1.3.5 Giàn tự hành KĐT-1 ........................................................................... 23
1.3.6. Giàn chống 2ANSH ............................................................................ 23

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 ThanKhoáng 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

Footer Page 5 of 148.


Header Page 6 of 148.

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
3.3.1.Tính toán độ bền piston ....................................................................... 74
3.3.2. Tính toán độ bền xylanh ..................................................................... 75
3.4. Tính toán độ ổn định của cột chống ....................................................... 86
Chương 4: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA
GIÁ KHUNG THỦY LỰC DÙNG TRONG KHAI THÁC HẦM LÒ VÙNG
QUẢNG NINH CÓ GÓC DỐC ĐẾN 250 ........................................................... 89
4.1. Tính toán lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di
động ............................................................................................................. 89
4.1.1. Phương pháp tính toán để xác định các thông số hợp lý ...................... 89
4.1.2.Tính toán lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên .............................. 89
4.1.2. Thiết kế, nghiệm bền chi tiết mái trên ................................................. 93
4.1.3. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho cột chống .............................. 99
4.2. Lựa chọn kích thước hợp lý cho khung giá trong điều kiện làm việc góc

q

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

R1

Tải trọng lên cột phía trước

N

R2

Tải trọng lên cột phía sau

N

Mu

Mô men uốn

Nmm

Mô men quán tính mặt cắt ngang

mm4

[]



Áp suất bên trong của xylanh

MPa

S

Diện tích mặt cắt ngang của piston

mm2

r1

Bán kính trong của xylanh

mm

r2

Bán kính ngoài của xylanh

mm

σr

Ứng suất hướng kính

MPa

σt



Header Page 8 of 148.

Von Mies

Điều kiện dẻo Von Mies

MPa

Tresca

Điều kiện dẻo Tresca

MPa



Khoảng cách từ tâm đến các điểm trên thành xylanh,
r1    r2

mm

s

Chiều dày thành xylanh

mm




Header Page 10 of 148.

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
Hình 1.13. Giàn chống tự hành VINALTA .......................................................... 22
Hình 1.14. Kết cấu tổ hợp giá chống thủy lực....................................................... 25
Hình 1.15. Kết cấu mái trên giá chống thủy lực.................................................... 25
Hình 1.16. Mái trên chịu tải trọng tập trung về hai phía ....................................... 30
Hình 1.17. Mái trên chịu tải tập trung tại chính giữa ............................................ 30
Hình 1.18. Mái trên chịu tải xoắn ......................................................................... 31
Hình 1.19. Mái trên chịu tải lệch một bên............................................................. 32
Hình 1.20. Tải trọng khi làm việc ......................................................................... 32
Hình 1.21. Ứng suất, mô men, độ võng, góc xoay................................................ 33

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

Footer Page 11 of 148.


Header Page 12 of 148.

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 r1 = 55 mm; r2 = 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 r1 = 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 h0min vào tải trọng làm việc và ....................... 93
vật liệu chế tạo mái trên ........................................................................................ 93
Hình 4.2. Hình dạng mặt cắt ngang của mái trên .................................................. 94
Hình 4.3.a. Phân bố trường ứng suất trong mái ứng với tải trọng 120 Tấn........... 95
Hình 4.3.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái tương ứng trường hợp ..................... 95
tải trọng 120 Tấn................................................................................................... 95
Hình 4.4.a. Phân bố trường ứng suất trong mái ứng với tải trọng 140 Tấn........... 96
Hình 4.5.a. Phân bố trường ứng suất trong mái ứng với tải trọng 160 Tấn........... 97

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.

Footer Page 13 of 148.


Header Page 14 of 148.

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 250 vùng Quảng Ninh”.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra một phương pháp tính toán
nghiệm bền dựa trên các cơ sở lý thuyết, thực nghiệm để lựa chọn được kích
thước hợp lý của mái trên, cột chống giá khung thủy lực di động loại ZH
1600/16/24Z phù hợp với điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh có

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 250 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.

Footer Page 15 of 148.


Header Page 16 of 148.

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.
- Tính toán, lựa chọn được kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống
giá khung thủy lực ZH 1600/16/24Z trong điều kiện làm việc góc dốc đến 25o.

25 0.

Footer Page 17 of 148.


Header Page 18 of 148.

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

tối thiểu >100 m.
- Đá vách trực tiếp thuộc loại ổn định trung bình, dễ sập đổ.
- Đá vách cơ bản thuộc loại vách nhẹ đến vách trung bình.
- Trụ vỉa thuộc loại bền vững trung bình.
- Trữ lượng công nghiệp khu vực lò chợ được khai thác liên tục bằng
một lò chợ cơ giới hoá không nhỏ hơn 100.000 tấn.
Các yếu tố kỹ thuật cơ bản ảnh hưởng đến hiệu quả áp dụng công nghệ
khai thác cơ giới hoá bao gồm:

Footer Page 19 of 148.


Header Page 20 of 148.

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

-150  +400

289.881

166.884

3

Than thùng- Nam mẫu

+125  +350

68.831

37.614

4

Hòn Gai

-150  +200

50.960

26.916

5

Dương Huy


Tổng cộng

Trong phạm vi các khu vực có khả năng cơ giới hoá, các yếu tố định
lượng quyết định đến lựa chọn mô hình cơ giới hoá bao gồm chiều dày vỉa,
góc dốc vỉa, chiều dài theo phương khu khai thác, chiều dài theo độ dốc khu
khai thác. Các yếu tố trên được nghiên cứu đánh giá tổng thể theo mối tương

Footer Page 20 of 148.


Header Page 21 of 148.

9

quan vi tr lng ca chớnh khu vc a vo nghiờn cu.
Nghiờn cu mi tng quan gia chiu dy va vi tng tr lng cho
thy, cỏc khu vc cú kh nng c gii hoỏ vựng Qung Ninh tp trung trong
gii hn chiu dy va t trung bỡnh n dy (hỡnh 1.1).
Phõn tớch yu t chiu dy va trờn c s phõn cp theo dy cỏch
nhau 0,5m nhm phự hp vi vic la chn ng b thit b c gii hoỏ. Qua
biu mi tng quan gia chiu dy va vi tng tr lng th hin ti cỏc
khu cú kh nng c gii hoỏ ti cỏc m vựng Qung Ninh, chiu dy va tp
trung ln nht trong gii hn trờn 4,5 m chim 51,21% tng tr lng. Vi
trỡnh phỏt trin c gii hoỏ khai thỏc hm
lũ hin nay trờn th gii, chiu dy va 3,5 4,5m ó c khu ng thi
mt lp, thm chớ ti mt s khu vc cú iu kin thun li vi chiu di theo
phng ln ó th nghim khai thỏc mt lp vi chiu dy va n 6 m.
Trong iu kin phc tp ti vựng Qung Ninh ch nờn xem xột cỏc gii hn
chiu dy va n 3 m cú th khai thỏc ng thi (chim 20,03% tng tr
lng cú kh nng c gii hoỏ), t 3,0 n 4,5m (chim 28,76% tng tr

1.51- 2 .0
1.2 1-1.5

0 .74


16.39

25-35

45.21

15-25

22.61

0-15

0.82
0

10

20

30

40

50

Tỷ lệ phần trăm so với tổng trữ lượng, %

Hỡnh 1.2. Quan h gia gúc dc va vi tng tr lng
cú kh nng c gii hoỏ
Mi tng quan gia chiu dy, gúc dc vi tng tr lng cú kh



Header Page 24 of 148.

12

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.
44.6

40
35
30
25
20

12.8
5.6

>1000

9.5

10

901-1000

15

100-200

Tỷ lệ phần trăm trữ lượng địa chất, %

45

Chiều dài theo phương khu khai thác, m

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

Footer Page 24 of 148.


Header Page 25 of 148.

13