Giải pháp kỹ thuật công nghệ nâng cao hiệu quả khai thác đá khối ở Nghệ An
Hiện nay, nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng ở Việt
Nam tăng lên mạnh mẽ, khắp các tỉnh thành đều có các
mỏ đá đang được hình thành và đi vào khai thác với
trữ lượng lớn. Một trong số đó là các mỏ khai thác đá
khối trên địa bàn tỉnh Nghệ An. Khai thác đá khối là
một công nghệ phức tạp, đòi hỏi những yêu cầu khắt
khe trong kỹ thuật bóc tách đá ra khỏi nguyên khối,
cũng như gia công định hình các khối đá theo những
quy cỡ thương phẩm cần thiết. Hiệu quả của công nghệ
khai thác đá khối được đánh giá qua hai chỉ tiêu: suất
thu hồi đá khối nguyên khai và suất thu hồi đá khối
thương phẩm, đây là chỉ số giá trị kinh tế của khoáng
sàng khai thác.
Về kỹ thuật khai thác, chế biến đá khối nói chung
và đá hoa trắng nói riêng, trên thế giới đã áp dụng các
công nghệ tiến tiến từ nhiều thập kỷ và tương đối
giống nhau. Tại Nghệ An, thời gian trước năm 2002,
có thể nói chưa có một áp dụng đáng kể nào về công
nghệ khai thác và chế biến, lãng phí tài nguyên lớn.
Từ sau năm 2002, các doanh nghiệp trên địa bàn tỉnh
Nghệ An phát triển ồ ạt việc chế biến đá ốp lát và từ
năm 2006 đến nay, nhiều nhà máy chế biến bột đá
siêu mịn được xây dựng. Công nghệ khai thác và chế
biến đá hoa trắng trên địa bàn tỉnh Nghệ An cũng từ
đó dần được nâng cấp. Do vậy, việc tiếp tục nghiên
cứu hoàn thiện các giải pháp kỹ thuật công nghệ
nhằm nâng cao hiệu quả khai thác, chế biến các mỏ
khai thác đá khối trên địa bàn tỉnh Nghệ An là cần
thiết và ý nghĩa.
II. KẾT QUẢ THỰC HIỆN
1. Các phương pháp và công nghệ khai thác đá
khối ở trong và ngoài nước
Hiện nay, người ta đang áp dụng 2 phương pháp
khai thác đá khối là phương pháp khai thác hầm lò và
n ThS. Lê Đức Ánh - Sở Công thương tỉnh Nghệ An
TS. Trần Quang Hiếu - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
phương pháp khai thác lộ thiên. Phương
pháp khai thác hầm lò có ưu điểm là bảo vệ
được cảnh quan, môi trường, song nhược
điểm là điều kiện khai thác khó khăn, năng
suất và sản lượng thấp. Phương pháp khai
thác lộ thiên được sử dụng nhiều với những
ưu điểm vượt trội, đó là có khả năng áp
dụng công nghệ tiên tiến với trình độ cơ
giới hóa cao, nâng cao được năng suất và
sản lượng khai thác, đảm bảo an toàn lao
động. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là ảnh
hưởng nhiều đến cảnh quan và môi trường
sinh thái.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Tóm tắt nội dung tài liệu: Giải pháp kỹ thuật công nghệ nâng cao hiệu quả khai thác đá khối ở Nghệ An
thác cưa cắt bằng dây cáp kim cương (hình 3) bao gồm các quá trình sản xuất: khoan các lỗ khoan định hướng theo các phương đứng và ngang, luồn dây cáp, quá trình cắt đá từ nguyên khối thành các khối lớn, lật khối đá và quá trình cắt khối lớn Hình 3. Sơ đồ máy cưa cáp kim cương Hình 1. Khai thác đá khối bằng phương pháp hầm lò ở Italia Hình 2: Mỏ khai thác đá khối lộ thiên ở Italia Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 11/2015 [13] HOẠT ĐỘNG KH-CN thành các khối thương phẩm. - Quá trình khoan định hướng (hình 4): Sau khi đào các đường hào mở vỉa, bạt ngọn bóc các lớp đá phủ bị phong hóa mỏ bước vào quá trình khai thác. Trong sơ đồ công nghệ sử dụng máy cưa cáp, việc đầu tiên là phải tiến hành khoan các lỗ khoan định hướng để luồn dây cáp, được thực hiện bằng các loại máy khoan khí nén hoặc máy khoan thủy lực. Với mỗi một khối đá cần cắt từ nguyên khối phải thực hiện khoan ít nhất 3 lỗ khoan, theo 3 chiều, các lỗ khoan phải đảm bảo gặp nhau theo từng cặp để luồn được dây cáp từ hai đầu. Để các lát cắt cắt ngang qua các khe nứt là ít nhất thì việc bố trí hướng lỗ khoan nằm ngang đầu tiên là rất quan trọng. Lỗ khoan nằm ngang phải được khoan theo phương của hệ thống khe nứt chính. Thiết bị khoan định hướng là các loại máy khoan tự hành, hoặc không tự hành, dùng để khoan các lỗ khoan thẳng đứng, khoan ngang. Để tăng xác suất gặp nhau của các lỗ khoan, sử dụng các lỗ khoan có đường kính càng lớn càng tốt, tuy nhiên với các lỗ khoan đường kính lớn thì chi phí khoan sẽ tăng cao, máy khoan sử dụng phải là các loại máy lớn, do đó phải lựa chọn đường kính lỗ khoan sao cho phù hợp. Kinh nghiệm ở một số mỏ, sử dụng các máy khoan có đường kính 76mm là phù hợp. - Quá trình luồn dây cáp (hình 5): Sau khi khoan định hướng xong, tiến hành công tác luồn dây cáp cắt đá, sau đó sử dụng một dây thép có móc luồn vào lỗ còn lại móc vào dây của lỗ kia và nối thông hai lỗ khoan. - Quá trình cắt đá (hình 6): Tang cuốn cáp quay kéo theo dây cáp chuyển quay vòng ma sát vào khối đá và tạo mạch cắt, nước làm mát và tẩy phoi cắt được bơm vào mạch cắt. Dây cáp luôn được căng bởi bộ phận căng dây cáp kết hợp với việc máy dịch chuyển ra xa khối đá. Khi cắt những khối đá lớn, chiều dài dây cáp ban đầu sử dụng lớn, khi gần kết thúc quá trình cắt đá, dây cáp ngắn lại, nếu hai phương pháp trên không đáp ứng được thì tính đến việc cắt ngắn dây cáp. Hình 4. Sơ đồ khoan định hướng để luồn cáp Hình 5. Sơ đồ luồn cáp Hình 6. Sơ đồ cắt đá bằng máy cưa cáp kim cương HOẠT ĐỘNG KH-CN Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 11/2015 [14] Để khai thác được một khối đá thương phẩm hoàn toàn bằng phương pháp cắt dây phải trải qua hai công đoạn: + Bước 1: Cắt khối đá lớn ra khỏi nguyên khối, việc này bao gồm cắt hai mặt đứng và một mặt đáy của khối đá. Thông thường khi sử dụng hoàn toàn phương pháp cắt dây để khai thác đá khối, người ta thường sử dụng máy cắt có công suất động cơ lớn để cắt tạo thành các tầng có chiều cao lớn. Khối đá ban đầu được cắt ra có kích thước lớn. Việc này đảm bảo độ vụn của các khối đá được bóc tách là nhỏ nhất. Do mạch cưa cáp sau khi cắt là khá nhỏ (khoảng 10÷12 mm), do đó để lật được khối đá, phải sử dụng các túi thủy lực đưa vào mạch cắt, sau đó bơm dầu thủy lực vào trong các túi để mạch cắt được mở rộng, sử dụng các cục đá nhỏ chèn vào khoảng hở do túi thủy lực tạo ra. Bơm thủy lực đến khi nào mạch cắt đủ rộng để sử dụng kích thủy lực hoặc đưa được răng gàu máy xúc vào để kết hợp lật khối đá xuống mặt tầng. Để khi lật khối đá có chiều cao lớn này xuống mặt tầng không bị vỡ vụn hoặc om đá, ta có thể đổ các lớp đất hoặc cát xuống bề mặt tầng để tránh không để khối đá va chạm trực tiếp với mặt tầng bằng đá, giảm độ vỡ vụn khi lật. + Bước 2: Sau khi lật được khối đá lớn xuống mặt tầng, sử dụng các máy cắt có công suất nhỏ hơn để cắt nhỏ khối đá này thành các khối đá nhỏ hơn cho vừa với yêu cầu kích thước của khối đá thương phẩm. Lưu ý, khi cắt nhỏ các khối đá này phải dựa trên các hệ thống khe nứt răn tồn tại trong khối đá lớn, tránh việc cắt ngang qua các khe nứt này làm hỏng hoặc làm giảm giá trị các khối đá thành phẩm. Trong mỗi mỏ đá khối thông thường đều tồn tại các hệ thống khe nứt, phân lớp, các khe nứt này tồn tại trong mỏ với các thông số phức tạp, góc cắm khác nhau. Do đó, để tăng độ thu hồi khối đá phải tính toán cắt các khối đá dựa trên các thông số của hệ thống khe nứt chính. 2.2. Công nghệ sử dụng máy cưa có trang bị tay rạch xích kết hợp với máy cưa cáp Máy cưa có tay rạch xích có ưu điểm lớn là công suất cắt lớn, diện tích cắt có thể đạt tới 10m2/h. Máy cắt không cần khoan, tuy nhiên máy chỉ cắt được theo phương thẳng đứng nên được sử dụng kết hợp với máy cưa cáp để cắt các khối đá, trong đó máy cưa cáp đảm nhiệm công tác cắt các lớp ngang và cắt các lớp xiên theo bề mặt khe nứt (nếu cần), hình 8. Máy cưa tay rạch xích cắt trước một đường có chiều sâu theo như đã định trước (không cắt quá sâu so a, Cắt tầng lớn và sử dụng máy xúc thủy lực gàu ngược để lật khối đá Hình 7. Cắt đá bằng máy cưa cáp kim cương Hình 8. Sơ đồ cắt đá sử dụng máy cưa tay rạch xích kết hợp máy cưa cáp b, Cắt nhỏ khối đá lớn thành đá thương phẩm Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 11/2015 [15] HOẠT ĐỘNG KH-CN với mặt tầng, sẽ ảnh hưởng đến khối đá của tầng tiếp theo). Mạch cưa do máy cưa lam tạo ra có thể từ 3÷6cm. Sau đó, ta sử dụng thiết bị khoan định hướng theo phương nằm ngang, với chỉ 1 lỗ khoan duy nhất ta có thể tiến hành luồn dây cáp và cắt đá theo phương nằm ngang hoặc xiên (nếu mỏ có hệ thống khe nứt nghiêng phức tạp). Mặt tầng để máy cưa tay rạch xích làm việc ban đầu phải được tạo trước bằng máy cưa dây, đảm bảo độ bằng phẳng để máy có thể di chuyển được. Máy cưa tay rạch xích rất hiệu quả với các mỏ đá có độ nguyên khối cao như đá granit. Tại các mỏ này, máy sẽ đảm bảo cắt tất cả các mặt thẳng đứng, máy cưa dây chỉ đảm nhận công tác cắt các mặt nằm ngang và cắt nhỏ các khối đá tạo đá thành phẩm. Công tác tạo đá thành phẩm cũng có thể thực hiện bằng phương pháp khoan hoặc khoan nêm để giảm bớt thời gian làm việc của máy cưa cáp. Máy cưa có tay rạch xích cũng cần một lượng nước tương đối lớn để làm mát lưỡi cưa và tẩy phoi cắt. Tùy theo từng loại lam cưa sử dụng mà lượng nước cung cấp cũng thay đổi, trung bình dao động trong khoảng 2÷5m3/h. Mạch cưa cắt khi sử dụng lưỡi cưa tay rạch tuy có lớn hơn so với cưa cáp 3÷6cm nhưng vẫn chưa đủ để đưa thiết bị vào để lật khối đá nên vẫn phải sử dụng túi thủy lực để mở rộng mạch cưa ban đầu. 2.3. Công nghệ sử dụng máy cưa đĩa kết hợp với máy cưa cáp - Máy cưa đĩa có các điều kiện làm việc tương tự như máy cưa có trang bị tay rạch xích, tuy nhiên nó có các ưu, nhược điểm như sau: + Ưu điểm: so với máy cưa có tay rạch xích, máy cưa đĩa có công suất cao hơn (có thể đạt tới 30m2/h với đá hoa trắng), công suất động cơ nhỏ hơn, mạch cưa cũng nhỏ hơn (khoảng 1,5cm). Máy có thể cắt tạo thành các khối đá thương phẩm mà không cần gia công lần 2. + Nhược điểm: máy cưa đĩa bị giới hạn bởi đường kính lưỡi cưa nên các khối đá cắt ra có kích thước khối không được lớn. Khi áp dụng máy cưa đĩa cho các mỏ có các hệ thống khe nứt phức tạp thì không hiệu quả. Đặc biệt, ở các mỏ khai thác đá trắng, độ phân lớp của các mỏ khai thác đá trắng khá lớn. Cũng như máy cưa tay rạch xích, máy cưa đĩa tỏ ra rất hiệu quả khi khai thác các mỏ đá granit. Máy cắt đá thành các khối đá có kích thước của các khối đá thành phẩm, không cần gia công công đoạn 2. So với máy cưa có tay rạch xích, điều kiện để sử dụng được máy cưa đĩa trên mỏ phức tạp hơn. Khi mỏ có điều kiện thuận lợi, độ nguyên khối của đá gốc càng lớn thì máy cưa đĩa sử dụng càng hiệu quả. - Máy cưa cáp có các ưu, nhược điểm như sau: + Ưu điểm: sử dụng và vận hành đơn giản, chuẩn bị đưa cưa vào hoạt động nhanh, nhận được các khối đá có kích thước cần thiết và hình dáng đúng quy cách, chất lượng cưa tốt, bề mặt cưa bằng phẳng nhẵn mịn, có thể không cần gia công chỉnh hình, năng lượng dùng để tách đá không lớn. Nó cho phép cưa được một diện tích tương đối rộng, có thể tới 200m2 cho một lần đặt máy, theo các mặt phẳng nằm ngang, thẳng đứng hoặc nghiêng. Khi sử dụng cưa cáp kim cương, tốc độ cưa đạt từ 3÷15m2/h trong đá cẩm thạch, 2÷5m2/h trong đá granite. Các khối đá sau khi cưa có thể dùng phương tiện cơ giới để cạy bẩy và phân chia nhỏ dễ dàng theo những mặt yếu của khối đá. Mạch cưa của cáp nhỏ (khoảng 11mm), hệ số thu hồi lớn. Thiết bị chiếm diện tích ít, vận chuyển tiện lợi, rất tiện cho thao tác. Yêu cầu kỹ thuật đối với nhân viên cũng không cao. + Nhược điểm: công tác chuẩn bị xây dựng mỏ lớn, chi phí cáp kim cương khá cao, thường chiếm 60÷70% giá thành chung của sản phẩm. Tuy nhiên, theo sự phát triển của kỹ thuật chế tạo, sử dụng rộng rãi hơn, thì giá thành sẽ được hạ thấp. Mặt khác, rủi ro đứt cáp trong quá trình đang cưa là một vấn đề lớn về mặt an toàn. Hình 9. Sơ đồ cắt đá sử dụng máy cưa đĩa kết hợp máy cưa cáp HOẠT ĐỘNG KH-CN Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 11/2015 [16] 3. Tính toán các thông số kỹ thuật công nghệ khi khai thác đá khối bằng phương pháp cưa cắt Công nghệ khai thác đá khối bằng phương pháp cưa cắt bao gồm các khâu: mở mỏ, tạo diện khai thác đầu tiên; bóc tách đá ra khỏi nguyên khối; gia công định hình đá thương phẩm. 3.1. Công tác mở mỏ và tạo diện khai thác đầu tiên Khi áp dụng phương pháp cưa cắt để khai thác đá khối, hệ thống khai thác (HTKT) áp dụng đó là HTKT khấu theo lớp bằng vận tải trực tiếp trên tầng. Do đó, công tác mở vỉa khoáng sàng chiếm một khối lượng tương đối lớn bao gồm các khâu chính như: làm đường lên đỉnh, bạt ngọn bóc lớp phủ phong hóa và đào hào chuẩn bị khai thác. Do điều kiện địa chất của các mỏ khai thác đá khối phức tạp, chiều dày lớp phủ phong hóa thông thường dao động từ 6÷8m đến 15÷20m, có khi nhiều hơn. Phần đá phủ này thông thường có độ nguyên khối không cao, đất đá nứt nẻ mạnh, với đá ở các mỏ đá trắng thì độ trắng không lớn, không đáp ứng được các tiêu chuẩn để sản xuất đá ốp lát. Để đẩy nhanh công tác bạt ngọn, nhanh chóng đưa mỏ vào sản xuất, thông thường phần đất đá phủ này được khoan nổ mìn, sử dụng máy xúc kết hợp với máy gạt gạt chuyển qua sườn núi, hoặc được xúc bốc lên ô tô chuyển ra bãi thải. Sử dụng các lỗ khoan nhỏ, nổ bằng phương pháp nổ vi sai nhằm giảm tối đa các sóng chấn động để không làm rạn nứt các khối đá trong nguyên khối. Ở lớp tiếp giáp cuối cùng nên sử dụng phương pháp nổ mìn tạo biên để đảm bảo độ nhẵn của gương khai thác ban đầu. Việc bạt ngọn bóc phủ có thể tiến hành bóc toàn bộ lớp đá phủ trên mỏ nhưng thông thường nó được tiến hành từng phần để giảm vốn đầu tư xây dựng cơ bản và nhanh chóng đưa mỏ đi vào sản xuất. 3.2. Lựa chọn các thông số hệ thống khai thác hợp lý a. Chiều cao tầng khai thác (H) Chiều cao của tầng là một trong những thông số quan trọng nhất của HTKT sử dụng máy cưa cắt theo chiều thẳng đứng. Lựa chọn chiều cao tầng hợp lý sẽ góp phần nâng cao độ thu hồi khối nguyên khai trong khai thác đá khối. Việc lựa chọn chiều cao tầng hợp lý là một bài toán phức tạp, liên quan đến các thông số của hệ thống các khe nứt, phân lớp trong khối nguyên (hình 12). Chiều cao tầng có thể xác định theo công thức: Hình 10. Bạt ngọn tạo mặt bằng khai thác đầu tiên trên mỏ Hình 11. Các thông số chính của hệ thống khai thác Trong đó: A- Chiều rộng dải khấu, m; m- Chiều dày lát cắt, m; H- Chiều cao tầng, m Hình 12. Mô hình xác định chiều cao tầng Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 11/2015 [17] HOẠT ĐỘNG KH-CN Trong đó: α- Góc nghiêng hệ khe nứt chính, độ; L- Khoảng cách trung bình giữa các khe nứt, m. Trong trường hợp có khối đá phụ (hình 13): Khối đá phụ được lấy từ phần thừa ADF và BEC khi cắt lấy khối chính ABCD. Khối đá phụ là khối đá có một mặt là hình chữ nhật BGHK nội tiếp trong tam giác BEC. Dựa vào các tài liệu thăm dò địa chất, xác định được thông số của hệ thống khe nứt chính từ đó sẽ xác định được chiều cao tầng tối ưu để áp dụng công nghệ khai thác cho phù hợp. b. Chiều dày lát cắt (m) Chiều dày lát cắt trong khai thác đá khối phụ là một giá trị phụ thuộc vào yêu cầu kích thước thương mại của khối đá thành phẩm. Chiều dày lát cắt còn phụ thuộc vào công suất của các thiết bị lật tầng. Khối đá có chiều dày càng nhỏ càng dễ lật, tuy nhiên để việc gia công đá thành phẩm là ít nhất, ta phải lựa chọn chiều dày lát cắt thật hợp lý. Thông thường giá trị này thường nằm trong khoảng từ 1,5÷3m. c. Chiều rộng dải khấu (A) Chiều rộng dải khấu trong phương pháp cưa cắt tùy thuộc vào điều kiện làm việc của thiết bị cưa cắt. - Khi sử dụng thiết bị cưa cắt là máy cưa cáp thì chiều rộng dải khấu phụ thuộc vào chiều dài làm việc hiệu quả của dây cáp. Thông thường sử dụng máy cưa cáp có động cơ máy cuốn từ 20÷70kW thì chiều rộng dải khấu khoảng từ 10÷50m. Khi tăng chiều rộng dải khấu có thể giúp làm giảm khối lượng khoan định hướng để luồn cáp, do đó góp phần giảm chi phí khoan định hướng; - Khi sử dụng máy cưa đĩa hoặc cưa có tay rạch xích thì chiều rộng dải khấu sẽ là toàn bộ khu vực khai thác, điều này giúp làm giảm công tác di chuyển máy đến khu vực công tác. III. KẾT LUẬN Khác đá khối bằng phương pháp cưa cắt là công nghệ khai thác hiện đại, an toàn, năng suất cao, ít ảnh hưởng đến môi trường so với các công nghệ khai thác truyền thống trong vùng mỏ của tỉnh ta đang sử dụng. Khai thác đá khối bằng phương pháp cưa cắt phù hợp tính cơ lý đá hoa trắng, giúp làm tăng độ thu hồi khối và làm giảm tổn thất tài nguyên. Tuy nhiên, thực tế hiện nay trên địa bàn tỉnh Nghệ An, tỷ lệ đá khối thu hồi được trong trữ lượng và tài nguyên của các mỏ đá hoa trắng là rất thấp, trung bình chỉ đạt từ 5÷7%, thậm chí chỉ đạt khoảng 3%. Do đó định hướng về chế biến cho các mỏ đá hoa trắng trên địa bàn tỉnh Nghệ An trong thời gian sắp tới là cần tập trung vào công nghệ nghiền bột siêu mịn, nghiên cứu sâu hơn về công nghệ nghiền nước và các khâu công nghệ chế biến sau nghiền nước. Ngoài ra, cần phát triển một số khu vực sản xuất, chế biến, gia công sản phẩm thủ công, mỹ nghệ từ đá (cả đá hoa trắng và các loại đá khác) để làm tăng giá trị sản phẩm. Để phát triển được mô hình này, đòi hỏi phải có sự quan tâm của các ngành, các cấp trong việc hỗ trợ tìm hiểu công nghệ, tạo điều kiện thuận lợi trong cơ chế về thuế, về đất đai và các thủ tục hành chính liên quan./. Hình 13. Mô hình bài toán xác định chiều cao tầng khi có tồn tại khối phụ Tài liệu tham khảo 1. Hồ Sĩ Giao, Trần Mạnh Xuân, Nguyễn Sĩ Hội, Khai thác mỏ vật liệu xây dựng, Nxb Giáo dục, Hà Nội, 1997. 2. Nhữ Văn Bách, Phương pháp khai thác đá khối, Bài giảng cao học Chuyên ngành Khai thác Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, 2009. 3. Nhữ Văn Bách, Nguyễn Đình Ấu, Giáo trình phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan nổ mìn, Nxb Giáo dục, Hà Nội, 1998. 4. Đàm Trọng Thắng, Bùi Xuân Nam, Trần Quang Hiếu, Nổ mìn trong ngành mỏ và công trình, Nxb Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội, 2015.
File đính kèm:
- giai_phap_ky_thuat_cong_nghe_nang_cao_hieu_qua_khai_thac_da.pdf