BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ ĐÌNH MẠNH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ GIÀN CHỐNG TỰ HÀNH
PHỤC VỤ TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ
VÙNG QUẢNG NINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ ĐÌNH MẠNH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ GIÀN CHỐNG TỰ HÀNH
PHỤC VỤ TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ
VÙNG QUẢNG NINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã đề tài: CTM13B-25
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS: Phạm Văn Nghệ
5
1.2.1
Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam...........................................
5
1.2.2
Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác tại các mỏ hầm lò
vùng Quảng Ninh....................................................................................
5
1.3
Giới thiệu một số thiết bị chống ở một số nước trên thế giới.................
8
1.3.1
Giới thiệu khái quát về cột thủy lực đơn.................................................
9
1.3.2
Giá đỡ thủy lực di động XDY.................................................................
18
1.4.4
Giá khung di động GK1600/16/24Z:......................................................
19
1.4.5
Giàn chống thủy lực ZZ3200..................................................................
21
1.4.6
Giàn chống tự hành VINALTA..............................................................
22
1.4.7
Giàn chống nhẹ ZZ1800/16/24...............................................................
23
1.5
30
2.1
Đặc tính kỹ thuật, kết cấu và nguyên lý hoạt động giàn chống..............
30
2.1.1
Đặc tính kỹ thuật.....................................................................................
30
2.1.2
Kết cấu giàn chống.................................................................................
32
2.1.3
Nguyên lý hoạt động...............................................................................
35
2.2
Phân loại giàn chống tự hành..................................................................
3.1
Khái quát mô hình khai thác và các yếu tố tác dụng lên giàn chống
trong quá trình khai thác.........................................................................
43
3.1.1
Mô hình khai thác than bằng phương pháp khoan nổ mìn......................
43
3.1.2
Các yếu tố tác động lên giàn chống trong quá trình khai thác................
45
3.2
Các giai đoạn chất tải và lực tác dụng lên giàn chống............................
46
3.3
Mô hình giàn chống và mô hình các lực tác dụng lên giàn....................
48
57
4.2
Tính toán áp lực mỏ khu vực áp dụng giàn chống.................................
59
4.3
Tính toán, kiểm bền cụm xà chính.........................................................
63
4.3.1
Kết cấu cụm xà chính..............................................................................
63
4.3.2
Tính toán, kiểm bền cụm xà chính..........................................................
63
4.4
Tính toán, kiểm nghiệm bền cột chống...................................................
Kiểm tra độ ổn định của xilanh...............................................................
85
Kết luận chương 4...................................................................................
91
Kết luận chung........................................................................................
92
Tài liệu tham khảo..................................................................................
93
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Tên bảng
Thông số kỹ thuật một số giàn chống tự hành do Trung Quốc
chế tạo........................................................................................
Thông số kỹ thuật một số giàn chống tự hành của một số nước
khác: Séc, Ba Lan, Nga, Đức.....................................................
Đặc tính kỹ thuật của giàn chống VINAALTA.........................
23
Bảng 1.8
Đặc tính kỹ thuật của giàn chống ZZ1800/16/24......................
24
Bảng 2.1
Bảng đặc tính kỹ thuật giàn chống tự hành tại Khe Chàm........
31
Bảng 2.2
Thông số vỉa dày trung bình dốc thoải nghiêng.........................
40
Bảng 4.1
Đặc điểm các vỉa than V13-1; V12............................................
58
Bảng 4.2
Thành phần hóa học của thép ống ST52....................................
73
Bảng 4.8
Bảng cơ tính của thép ống ST52................................................
73
Bảng 4.9
Thành phần hóa học của gang AGX-2.......................................
74
Bảng 4.10
Bảng thành phần hóa học của thép S45C...................................
74
Bảng 4.11
Bảng cơ tính của thép S45C.......................................................
74
14
Hình 1.5
Hình ảnh một số giàn chống của Séc.........................................
16
Hình 1.6
Kết cấu đặc trưng các loại giàn chống tự hành.........................
16
Hình 1.7
Giá thủy lực XDY......................... ...........................................
19
Hình 1.8
Giá khung di động GK 1600/16/24Z.........................................
20
Hình 1.9
Giàn chống ZZ3200/1.6/2.6.......................................................
33
Hình 2.4
Kết cấu xà cạnh..........................................................................
34
Hình 2.5
Kết cấu xà phá hỏa.....................................................................
34
Hình 2.6
Kết cấu cụm tay biên..................................................................
34
Hình 2.7
Kết cấu cụm đế giàn...................................................................
35
Hình 2.8
Sơ đồ thủy lực của điều khiển gián chống.................................
Mô hình chống giữ lò chợ có sử dụng giàn chống thủy lực......
45
Hình 3.4
Mô hình chống giữ lò chợ của giàn chống ZZ1800/16/24.......
46
Hình 3.5
Ngoại lực tác dụng lên giàn chống............................................
47
Hình 3.6
Đường cong quá trình tác dụng lực lên giàn chống...................
48
Hình 3.7
Mô hình giàn chống và các ngoại lực tác dụng.........................
49
Hình 3.8
Kích thước và mô hình cụm xà chính........................................
63
Hình 4.3
Biều đồ momen trên xà chính....................................................
65
Hình 4.4
Tiết diện mặt cắt ngang của xà ngang vị trí nguy hiểm.............
67
Hình 4.5
Mô hình giàn chống và lực tác dụng..........................................
69
Hình 4.6
Mô hình ứng suất tương đương Von -Mises..............................
70
Hình 4.7
Mô hình và biểu đồ ứng suất trên ống.......................................
78
Hình 4.13
Mô hình ống xilanh....................................................................
81
Hình 4.14
Ứng suất Von -Mises trên ống xilanh........................................
81
Hình 4.15
Mô hình cần piston.....................................................................
84
Hình 4.16
Mô hình xilanh cột chống..........................................................
85
Hình 4.17
Định vị bằng mặt bích và cán xi lanh tự do..............................
90
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong viện Cơ khí và
viện Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi nhiều kiến
thức quý báu trong thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Nghệ, người hướng dẫn khoa
học của luận văn đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã tận
tình góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Vũ Đình Mạnh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sĩ kỹ
thuật "Nghiên cứu, thiết kế giàn chống tự hành phục vụ trong khai thác than
hầm lò vùng Quảng Ninh" là hoàn toàn đúng. Tất cả kết quả thu được từ luận văn
đều là từ quá trình nghiên cứu. Mọi tài liệu và sự trợ giúp thực hiện luận văn đều đã
được chỉ rõ nguồn gốc.
Khi viết bản luận văn này, tác giả có tham khảo và kế thừa một số kết quả
nghiên cứu của các tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ các tạp
chí, sách, mạng internet … theo danh mục tham khảo.
Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn nào
Tải trọng lên tay biên trước
kN
R1
Tải trọng lên tay biên sau
kN
Q
Tải trọng tập chung của áp lực mỏ
kN
qmin
Áp lực phân bố nhỏ nhất tác dụng lên xà chính
kN/m2
qmax
Áp lực phân bố lớn nhất tác dụng lên xà chính
kN/m2
γ
Mpa
σc
Giới hạn chảy của vật liệu
Mpa
σb
Giới hạn bền của vật liệu
Mpa
E
Mô đun đàn hồi
Mpa
D
Đường kính lòng xilanh
mm
d
Đường kính cần piston
MPa
σtd
Ứng suất tương đương Tressca
Mpa
Chiều dày thành ống xilanh
mm
t
L0
Chiều dài ống xilanh
mm
Lc
Chiều dài cán piston
mm
L
Uông bí khoảng trên 5 tỉ tấn, vùng Hạ Long khoảng trên 1,2 tỷ tấn và vùng Cẩm
Phả khoảng trên 2,2 tỷ tấn. Theo quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam, sản
lượng than khai thác sẽ tăng nhanh dự kiến đạt khoảng 50 triệu tấn năm 2020 trong
đó sản lượng than khai thác từ các mỏ hầm lò sẽ chiếm từ 60 -70% tổng sản lượng
của toàn ngành. Để đạt được mục tiêu trên, cần đổi mới công nghệ khai thác theo
hướng áp dụng các loại hình công nghệ cơ giới hóa trong đó có việc mở rộng áp
dụng cơ giới hóa khai thác cho điều kiện vỉa dày trung bình, dốc thoải đến nghiêng.
Một trong những khâu quan trọng trong khai thác than hầm lò là công tác
chống giữ trong lò chợ. Đây là khâu rất quan trọng đảm bảo năng suất, tận thu tài
nguyên, quan trọng nhất là đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị. Do vai trò
quan trọng như vậy tại các nước có nền công nghiệp than phát triển: Đức, Nga,
Trung Quốc, Ba Lan…đã và đang tiếp tục đầu tư nghiên cứu, hoàn thiện kết cấu,
tính năng kỹ thuật cũng như độ an toàn và tin cậy của các thiết bị chống giữ.
Có nhiều loại thiết bị chống giữ trong hầm lò, tuy nhiên cho đến nay, giàn
chống tự hành là loại được nhiều mỏ lựa chọn để đưa vào chống giữ do nhiều ưu
điểm về kết cấu, vận hành, an toàn và hiệu quả, phù hợp với quá trình hiện đại hóa
khai thác ngành than.
Tuy nhiên, việc áp dụng thiết bị chống lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như
điều kiện địa chất, áp lực mỏ, mức độ bùng nền, công nghệ khai thác…Vì vậy để sử
dụng có hiệu quả các loại giàn chống trong điều kiện hầm lò Việt Nam cần phải có
những nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn thông số hợp lý dùng phù hợp trong khai thác
hầm lò. Chính vì vậy đề tài của luận văn đã chọn hướng nghiên cứu là "Nghiên cứu,
thiết kế giàn chống tự hành phục vụ khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh".
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu, thiết
kế giàn chống tự hành GC1800-16/24 và đưa ra phương pháp tính toán nghiệm bền
dựa trên các cơ sở lý thuyết, thực nghiệm để lựa chọn tính toán cho xà chính, cột đỡ
của giàn chống tự phù hợp với điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh có
Luận văn đã tiến hành nghiên cứu các loại thiết bị chống dùng trong khai
thác hầm lò ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam.
Trên mô hình thực tế khai thác trong lò chợ với chống giữ bằng giàn chống
tự hành đã thiết kế mô hình giàn chống, xây dựng mô hình tính toán xà chính để
khảo sát và thiết lập được mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình
học với lực tác dụng.
Từ lý thuyết cơ sở xây dựng được hệ để tính toán độ dày thành xilanh cột
chống phụ thuộc vào áp suất trong xilanh và giới hạn bền của vật liệu, giá trị áp suất
lớn nhất mà xilanh có thể làm việc với giới hạn bền của vật liệu cho trước.
Qua đánh giá về nhu cầu sử dụng giàn chống trong Tập đoàn Than và
Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu thống kê khẳng định sự cần thiết của việc
tính toán, thiết kế giàn chống tự hành phục vụ trong khai thác than hầm lò vùng
Quảng Ninh góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, giảm giá thành sản phẩm.
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và lựa chọn các
loại giàn chống khác 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 để lực
chọn thiết bị chống giữ phù hợp với điều kiện khai thác của từng vùng.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG KHAI THÁC
THAN HẦM LÒ
1.1. Tổng quan về tình hình khai thác than hầm lò ở Việt Nam
Theo quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam, sản lượng than khai thác
sẽ tăng nhanh dự kiến đạt khoảng 50 triệu tấn năm 2020 trong đó sản lượng than
khai thác từ các mỏ hầm lò sẽ chiếm từ 60 -70% tổng sản lượng của toàn ngành do
việc đồng loạt các mỏ đều áp dụng những thiết bị hiện đại tiên tiến, có công suất
lớn, áp dụng dây chuyền cơ giới hoá đồng bộ trong khai thác...
Theo kết quả tổng hợp trữ lượng và đặc điểm điều kiện địa chất- kỹ thuật mỏ
tại các khoáng sàng than được khai thác bằng phương pháp khai thác hầm lò vùng
Quảng Ninh do Viện KHCN Mỏ thực hiện năm 2011, cho thấy trữ lượng các vỉa
trưởng sản lượng hằng năm xấp xỉ từ 5% đến 12%/năm. Đến năm 2025 sản lượng
khai thác sẽ tăng xấp xỉ 2,5 lần so với năm 2007.
Hình 1.2: Sản lượng khai thác than Hầm lò theo PA II
4
Trong phương án II (phương án cao) năm 2010 sản lượng khai thác là 28.400
nghìn tấn; năm 2015 là 40.650 nghìn tấn năm 2020 là 48.650 nghìn tấn. Như vậy, so
với phương án I, phương án II có sản lượng cao hơn bình quân từ 8% - 37%, bình
quân của 15 năm đầu là 18% .
Qua số liệu của hai phương án theo quy hoạch phát triển ngành Than từng
giai đoạn có thể thấy trong những năm tới sản lượng khai thác than hầm lò tăng lên
theo các năm. Sản lượng khai thác than hầm lò tăng do các đơn vị thay đổi dần công
nghệ và đầu tư thiết bị công nghệ mới phục vụ khai thác. Ngoài ra, do các mỏ lộ
thiên đã xuống sâu và vấn đề đổ thải là rất phức tạp nên một số mỏ than đang dần
chuyển sang khai thác than hầm lò.
Qua đó có thể thấy nhu cầu nghiên cứu, phát triển các thiết bị phục vụ công
tác khai thác than hầm lò là phù hợp với sự xu hướng phát triển của ngành than hiện
nay và trong những năm tới.
1.2. Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ than
hầm lò vùng Quảng Ninh
1.2.1. Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam
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 KTXH ở từng vùng. Phát
triển ngành than lấy 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
KTXH của đất nước. Thị trường hóa ngành than để thu hút nguồn lực của mọi thành
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 .
6
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 nghìn
tấn. Trữ lượng các khu vực có khả năng áp dụng cơ giới hoá trong giới hạn nghiên
cứu đánh giá là 280.887 nghìn tấn.
TT
Tên khu vực, mỏ
Trữ lượng
Trữ lượng có khả
địa chất
năng cơ giới hóa
(1000t)
68.831
37.614
4
Hòn Gai
-150 ÷ +200
50.960
26.916
5
Dương Huy
-150 ÷ 200
14.391
8.140
6
Khe Chàm
+38 ÷ +200
7
tập trung nghiên cứu giải quyết xây dựng các sơ đồ công nghệ khai thác cơ giới hoá
trong một số phạm vi điều kiện áp dụng đặc trưng sau :
- Các khu vực vỉa có chiều dầy đến 3,0m có góc dốc từ 18 đến 350 chiếm
24,41% tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá.
- Các khu vực vỉa có chiều dầy từ 3,0 ÷4,5m có góc dốc từ 18 đến 35 chiếm
23,41% tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá.
- Các khu vỉa có chiều dµy trên 4,5m có góc dốc từ 18 đến 350 chiếm 47,99%
tổng trữ lượng có khả năng cơ giới hoá.
- Các khu vỉa có góc dốc thoải chiếm 4,19% tổng trữ lượng có khả năng cơ
giới hoá.
Với hiện trạng các khu vực hiện đang khai thác tại các mỏ hầm lò, triển khai
thử nghiệm các sơ đồ công nghệ có thể xem xét tại mỏ than Nam Mẫu và mỏ than
Khe Chàm, nơi có điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ thuận lợi nhất cho áp dụng công
nghệ cơ giới hoá khai thác.
1.3. Giới thiệu một số thiết bị chống ở một số nước trên thế giới.
Cùng với sự phát triển kỹ thuật công nghệ khai thác hầm lò, sự phát triển các
phương tiện cơ giới khấu và vận tải than trong gương, các hình thức chống giữ
gương khai thác cũng thay đổi từ chống giữ lò chợ bằng các cột chống đơn (gỗ hoặc
kim loại), kết hợp hàng cột tăng cường, cụm cột hoặc cũi lợn, tiến đến áp dụng các
tổ hợp cơ khí hoá hiện đại như các loại dàn chống thuỷ lực hiện đại đáp ứng được
nhu cầu cơ giới hoá, hiện đại hoá đồng bộ trong khai thác, nâng cao sản lượng khai
thác và mức độ an toàn cho người lao động.
Thiết bị chống giữ lò chợ được phát triển từ chống giữ bằng gỗ tới cột chống
ma sát kết hợp với xà kim loại, sau đó tới cột chống thủy lực đơn kết hợp với xà
kim loại. Hiện nay nhiều lò chợ khai thác sử dụng giàn chống tự hành, thiết bị
chống giữ an toàn và hiện đại. Sử dụng giàn chống tự hành với mục đích nâng cao
an toàn lao động. Khi sử dụng đồng bộ cơ giới hóa giàn chống tự hành kết hợp với
9
1.3.2.1. Giá thủy lực di động.
Các loại giá thủy lực di dộng sản xuất tại Trung Quốc gồm: "Loại dùng, cho
via thoải có mã hiệu XDY-1T2/LY và loại dùng cho vỉa góc dốc đến 45° có mã
hiệu XDY-1T2/Hh/Lr. Việc áp dụng các loại giá thủy lực di động trong lò chợ hạ
trần than nóc cho thấy ưu điểm: Đã nâng cao sản lượng khai thác, tăng năng suất lao
động và cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động.
Nhược điểm của loại giá thủy lực di động là tính ổn định của vì chống chưa
cao, khả năng di chuyển của giá chưa nhanh dù đã được thủy lực hóa. Nếu kiểm tra
củng cố lò chợ không tốt dễ xảy ra các trường hợp giá bị xô theo độ dốc, xà giá và
cột chống không vuông ke với gương lò chợ. Diện tích chống đỡ của xà giá hạn chế
nên trong lò chợ vẫn phài dùng một lượng lưới thép tương đối lớn để trải lên nóc lò
thay chèn và một lượng gỗ đề làm văng.
1.3.2.2. Giá khung thủy lực di động.
Để nâng cao khả năng an toàn và hiệu quả khai thác, khắc phục những tồn
tại của giá thủy lực di động, Trung Quốc đã chế tạo và đưa vào sử dụng thiết bị
chống giữ khác lả giá khung thủy lực di động.
Giá khung thủy lực di động là vì chống thủy lực liên hoàn, có 4 cột thủy lực
bố trí dưới xà (có thể bố trí cột thứ 5 ở giữa). Trong lò chợ hạ trần than nóc, các giá
khung thủy lực di động thủy lực thường bố trí cách nhau 1m như vậy cường độ
chống giữ đạt được từ 0,48 ÷ 0,64 MPa, trong khi sử dụng giá thủy lực di động chỉ
đạt 0,39 MPa. Loại vì chống này có ưu điểm là kết cấu vững chắc ốn định hơn so
với giá thủy lực di dộng nhờ một hệ khung đỡ nằm dưới các xà liên kết thành một
chỉnh thể nên trong lò chợ sử dụng gỉá khung thủy lực di động không có hiện tượng
đổ giá và xoay giá như đối với giá thủy lực di động.
Khả nảng di chuyển của giá khung thủy lực di động nhanh nhờ hệ thống điều
khiển tập trung. Giá khung thủy lực di động có thể sử dụng được ở điều kiện đá trụ
của các loại thiết bị này là tương đối cao, chỉ áp dụng phù hợp cho những vị trí khai
thác có trữ lượng lớn, các thiết bị phụ trợ khác phải đáp ứng được năng suất khai
thác của tổ hợp thiết bị thì mới cho hiệu quả kinh tế cao.
Tùy thuộc vào công nghệ khai thác mà sử dụng các thiết bị chống giữ lò phù
hợp. Trên thế giới tùy thuộc vào chiều dày vỉa, độ dốc, áp lực mỏ và điều kiện địa
11
Copyright: Tài liệu đại học ©