Phương pháp lựa chọn máy bơm thoát nước tại moong Bắc Làng Cẩm - mỏ than Phấn Mễ

Up to now, the solutions for increasing the open pit slope stability have been classified into three main groups such as hydraulic, mechanical and chemical ones. In this paper, the authors introduce some fundamental methods that have been studied for increasing the open pit slope stability

ThS. Đỗ Ngọc TướcThS. Phạm Xuân Tráng

KS. Bùi Duy NamKS. Lê Bá Phức

Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin

1. Đặc điểm hiện trạng khai trường moong Bắc Làng Cẩm.Mỏ than Phấn Mễ là mỏ than mỡ lớn nhất của nước ta, than của mỏ có chất lượng tốt,

đáp ứng yêu cầu luyện than cốc, những năm gần đây sản lượng của mỏ đạt trên 100.000 tấn than nguyên khai than/năm, trong đó sản lượng than khai thác từ hầm lò không đáng kể, đóng góp sản lượng chủ yếu từ khai trường lộ thiên Bắc Làng Cẩm. Kết thúc năm 2011, đáy khai trường ở mức -200, với chiều cao bờ từ 220 - 250 m.

Moong khai thác Bắc Làng Cẩm có dạng lòng chảo, với chiều dài 900 m, rộng 800 m. Địa hình xung quanh khai trường là các quả đồi không cao lắm, với sườn dốc từ 30450. Nguồn nước mặt trong khu vực bao gồm: Phía Bắc khu mỏ có sông Đu chảy theo hướng Tây - Đông, lòng sông rộng từ 1025m, sâu 36m. Sông có nước quanh năm, lưu lượng lớn nhất vào mùa mưa đến 71,3m3/s, cao trình ngập lớn nhất đến +40. Phía Tây khai trường có suối Âm Hồn, suối ngắn và hẹp, chỉ có nước vào mùa mưa, dòng chảy có hướng Nam - Bắc đổ vào sông Đu. Phía Nam và Đông khai trường là các ruộng lúa với cốt cao địa hình từ +40 đến +50.

Hình 1. Hiện trạng khai trường moong Bắc Làng Cẩm.Để ngăn chặn các dòng nước mặt chảy vào khai trường trong quá trình khai thác, mỏ đã

xây dựng các tuyến đê bao ngăn nước ở phía Tây và Nam, Đông Nam, do đó nước mặt chảy vào khai trường chỉ còn là lượng nước mưa trên diện tích khai trường từ cao trình +45 trở xuống đáy mỏ, còn lượng nước mặt từ +45 trở xuống tập trung tại đáy khai trường và được thoát cưỡng bức ra ngoài qua hệ thống bơm đặt ở bờ Đông Bắc.

1

2. Trình tự khai thác của mỏDo yếu tố địa chất và cấu tạo của vỉa than, các thiết kế khai thác cho moong Bắc Làng

Cẩm đều áp dụng hệ thống khai thác xuống sâu. Trình tự phát triển công trình mỏ trên toàn bộ bờ mỏ từ trên xuống dưới, giữa các tầng kề nhau là gương tầng trên đi trước và cách gương tầng dưới đi sau một chiều dài xác định, giữa các gương trên cùng một tầng là khấu đuổi trên các luồng xúc từ ngoài vào trong, các máy xúc làm việc cách nhau một khoảng cách xác định, sử dụng các luồng xúc cụt, ô tô ra vào nhận tải từ một phía.

Do góc dốc bờ công tác khá cao, = 340 nên các thông số của hệ thống khai thác đã thay đổi đáng kể, ảnh hưởng tới điều kiện làm việc của thiết bị. Thêm vào đó, đáy mỏ quá chật hẹp, do đó đường trong mỏ có độ dốc lớn, phải quay đảo chiều liên tục, công tác khai thác gặp nhiều khó khăn. Để khắc phục, mỏ đã tiến hành khai thác tại khu vực phía Nam khai trường để kéo dài tuyến công tác theo đường phương của vỉa. Khu vực này cốt cao khấu than mới ở mức -150m, như vậy đến hết năm 2014 mới đạt mức đáy mỏ hiện tại -200. Công tác bóc đất đá được thực hiện chủ yếu trên bờ Đông Nam, Nam và Tây Nam đảm bảo góc dốc bờ công tác phù hợp với điều kiện sản xuất tại mỏ.

Tính từ tháng 8/2012 đến kết thúc khai thác, tổng khối lượng đất bóc toàn mỏ là 18.597.260 m3, khối lượng than nguyên khai là 482.231 tấn, hệ số bóc Ktb = 38,57 m3/tấn. Cung độ vận tải đất đá từ 4,10 6,09 km, trung bình 4,76 km. Cung độ vận tải than nguyên khai từ 5,706,08 km, trung bình 5,96 km. Tốc độ xuống sâu trung bình các năm còn lại của mỏ từ 1015m. Như vậy, với sản lượng 100.000 tấn than nguyên khai/năm, thời gian khai thác theo dự án của mỏ còn lại khoảng 5 năm.

3. Lượng mưa hàng năm tại khu mỏTrong khu mỏ không đủ điều kiện đặt trạm quan trắc khí tượng, do đó trong Báo cáo

chuyển đổi cấp trữ lượng mỏ Làng Cẩm năm 2011 đã sử dụng tài liệu được thu thập ở trạm khí tượng thành phố Thái Nguyên. Tổng hợp lượng mưa tại các trạm đo ở thành phố Thái Nguyên được thể hiện trong bảng 1.

Bảng 1. Bảng tổng hợp lượng mưa tại các trạm đo ở thành phố Thái Nguyên.

Năm Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm

2000 Tổng 2,7 53,4 53,1 31,4 204,5 250,0 621,7 142,0 196,4 213,2 1,4 0,7 1770,5

Max 0,9 27,6 11,0 7,3 59,1 98,6 287,4 38,8 58,9 109,0 0,9 0,5 287,4

2001 Tổng 21,4 39,1 118,5 136,6 241,1 340,4 593,9 356,9 101,0 130,5 30,2 15,6 2125,2

Max 9,0 22,0 42,0 74,0 129,9 35,9 223,9 119,5 49,1 46,3 18,7 10,2 223,9

2002 Tổng 14,2 16,0 26,4 49,7 185,2 230,6 226,4 199,4 125,4 33,1 47,3 42,5 1196,2

Max 4,9 4,9 13,2 23,0 45,4 42,3 66,4 78,5 37,2 25,8 15,7 36,8 78,5

2003 Tổng 32,8 31,0 12,3 67,3 379,1 244,0 370,2 384,9 88,6 66,0 8,2 5,5 1689,9

Max 17,6 14,2 5,0 31,5 147,5 112,2 89,1 84,8 24,6 40,5 8,2 4,0 147,5

2004 Tổng 27,6 22,8 82,9 103,7 366,7 136,5 611,6 238,4 145,5 0,1 89,5 61,6 1886,9

Max 14,8 6,9 27,1 34,5 91,7 38,5 140,1 71,7 47,5 0,1 42,3 60,0 140,1

2005 Tổng 18,7 39,6 58,6 40,5 181,2 224,5 328,2 410,9 292,5 9,0 93,0 47,9 1744,6

Max 5,6 18,6 11,4 10,1 71,6 64,4 50,1 91,7 126,8 5,0 34,8 25,4 126,8

Trung bình tháng 19,57 33,65 58,63 71,53 259,63 237,67 458,67 288,75 158,23 75,32 44,93 28,96

Khu vực này mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm, theo thống kê trong bảng 1, các trận mưa lớn thường tập trung vào tháng 8, trong đó có những trận mưa có lượng mưa lớn đến 80mm. Lượng mưa bình quân hàng tháng từ 75,32mm đến 458,67mm. Trong mùa khô (từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau) lượng mưa trung bình hàng tháng từ 19,57mm đến 71,53 mm.

4. Phương pháp tính toán thoát nước truyền thống

2

Lượng nước chảy vào mỏ cần thoát bằng bơm (Q), gồm các nguồn: nước mưa (dưới mức thoát nước tự chảy và lượng nước rò rỉ từ các mương rãnh), nước ngầm (lượng bốc hơi không đáng kể). Lượng nước Q được tính như sau:

Q = Qm + Qng , m3/ngày-đêm

Trong đó: Qm - Lượng nước mưa lớn nhất rơi vào mỏ; m3/ngày-đêm; Qng - Lượng nước ngầm chảy vào mỏ.

Để tính khối lượng nước mưa chảy vào mỏ, cần tiến hành xác định các đường phân thuỷ và diện tích hứng mưa của mỏ. Lượng nước mưa chảy vào mỏ trong một trận mưa là:

Qm = q.F. , m3

Trong đó: q - Lượng nước mưa lớn nhất của trận mưa, m;F - Diện tích hứng mưa, m2; - Hệ số chảy mặt, khi nước mưa rơi trực tiếp vào khai trường thì = 1.

, m3/ngày-đêm

Trong đó: Kt - Hệ số thấm của đất đá vây quanh, m/ngày-đêm;S - Trị số hạ thấp mực nước, m; R - Bán kính ảnh hưởng, m;

R = 2S ;

ro - bán kính tương đương của mỏ lộ thiên, m;

Tại mỏ Phấn Mễ, các thông số tham gia tính toán có giá trị như sau:- Lượng nước mưa lớn nhất của trận mưa: q = 0,08 m/ngày-đêm- Diện tích hứng nước khai trường: F = 750.000 m2

- Hệ số thấm của đất đá mỏ: K= 0,04 m/ngày-đêm- Trị số hạ thấp mực nước: S = 230 m

3

- Bán kính ảnh hưởng: R = 1.395 m- Bán kính tương đương của mỏ lộ thiên: ro = 489 mThay các giá trị của các thông số trên vào các công thức trên ta tính được Qm = 60.000

m3/ngày-đêm, Qngầm = 4.932 m3/ngày-đêm và tổng lượng nước chảy vào moong, trong trận mưa lớn nhất Q = 64.932 m3/ngày-đêm.

Theo tính toán thoát nước mỏ truyền thống, áp dụng trong các Thiết kế mỏ, công suất máy bơm được chọn theo trình tự: chọn lượng nước cần thoát 1 ngày đêm, chọn lưu lượng bơm 1 giờ, chọn sơ bộ áp lực bơm, chủng loại và số máy bơm theo các công thức:

- Lượng nước cần thoát bằng bơm trong một ngày đêm (Qcb):

NQQcb , m3/ngày-đêm

Trong đó: Q - Lưu lượng nước chảy vào đáy mỏ, m3/ngày-đêm;N= 5 - Số ngày cần bơm sau một trận mưa.- Chọn lưu lượng bơm 1 giờ (Qh):

mQ

Q cbh . , m3/giờ

Trong đó:m = 20 - Số giờ làm việc trong 1 ngày-đêm; = 0,85 - Hiệu suất sử dụng máy bơm.- Chọn sơ bộ áp lực máy bơm (Hsb):

Hsb = hhH

, m

Hhh là chiều cao hình học cần bơm; = 0,7- 0,8 hệ số sử dụng mạng dẫn.Với phương pháp lựa chọn như trên, hầu hết các trận mưa lớn đều được bơm cưỡng

bức ra khỏi mỏ trong 5 ngày, có nghĩa là mỏ có thể khai thác ngay cả trong mùa mưa. Tại moong Phấn Mễ, lượng nước cần phải bơm hết trong 5 ngày sẽ là lưu lượng ngày mưa lớn nhất và lượng nước ngầm chảy vào mỏ trong 4 ngày tiếp theo:

Qb = Q + 4.Qng = 84.659 m3/5 ngày.Như vậy, để bơm hết lượng nước chảy vào mỏ trong trận mưa lớn nhất trong 5 ngày thì

trung bình mỗi ngày mỏ cần phải bơm là: 16.932 m3/ngày-đêm.Hiện tại, mỏ đang sử dụng máy bơm loại цн - 400 có các đặc tính kỹ thuật cơ bản: - Lưu lượng bơm: Q = 400 m3/h.- Chiều cao đẩy: H = 125 mH2O.- Công suất động cơ: P = 200 kW.

4

Như vậy, về lưu lượng cần 3 máy bơm, và với chiều cao bơm 250m phải bố trí bơm nối tiếp, như vậy tổng số cần 6 máy bơm.

5. Phương pháp tính toán thoát nước đề xuất cho moong Bắc Làng CẩmNội dung chính của phương án là xem xét theo nguyên tắc: tại các đáy mỏ khai thác lộ

thiên có thể bơm cầm chừng trong mùa mưa và chỉ bơm cạn tới đáy mỏ trước 1/11 hàng năm để chuẩn bị mùa đào sâu mới. Theo nguyên tắc trên, các thông số cần xác định gồm:

- Xác định lượng nước chảy vào mỏ (lớn nhất) lũy tiến theo tần suất gần với thời gian tồn tại mỏ (Vmax);

- Xác định lượng nước khống chế tại đáy mỏ (thường cho ngập từ 1-2 tầng) Vn, hay chiều sâu ngập nước Hn tại đáy mỏ mà không ảnh hưởng đến sản xuất các tầng phía trên.

- Xác định lượng nước (Vb1), và số lượng máy bơm (N1) cần bơm trong mùa mưa;- Xác định lượng nước (Vb2) và số lượng máy bơm (N2) bơm trong thời gian trước 1/11

hàng năm.Tại mỏ Phấn Mễ, do kích thước khai trường hạn hẹp, bờ mỏ tương đối cao (250m) nên

công tác khấu than được thực hiện vào đầu năm từ tháng 1 đến tháng 4 và cuối năm từ tháng 11 đến hết tháng 12, từ tháng 5 đến tháng 10 chủ yếu bóc đất tại các tầng phía trên. Theo kế hoạch khai thác của mỏ, đáy mỏ có thể ngập nước trong mùa mưa tối đa là 2 tầng, tương ứng với chiều sâu 20m.

Tính toán với cốt cao đáy mỏ tại mức -230, diện tích đáy moong tương ứng 10.500m2, lượng nước có thể để lại trong các tháng mùa mưa khoảng, Vn = 215.000m3.

Căn cứ vào khối lượng nước có thể để lại tại đáy moong và lượng nước các tháng lớn nhất chảy vào mỏ trong những năm gần đây cho phép xác định nhu cầu thoát nước cần thiết cho mỏ, qua đó tính toán số lượng máy bơm phù hợp, kết quả tính toán được thể hiện trên bảng 2 và biểu đồ khảo sát lượng nước chảy vào moong khai thác (hình 2).Bảng 2. Kết quả khảo sát khối lượng nước chảy vào mỏ và nhu cầu bơm nước moong

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vmax, m3 47.348 62.706

111.238

124.731

305.515

276.664

486.373

329.222

240.955

181.837

92.228

68.819

Vmax lũy tiến, m3 47.348 110.0

54221.292

346.023

651.538

928.202

1.414.57

6

1.743.79

8

1.984.75

2

2.166.58

9

2.258.81

7

2.327.63

5

Vb, m3 47.348 62.706

111.238

124.731

273.977

280.000

300.000

330.000

330.000

306.589

92.228

68.819

Vb lũy tiến, m3 47.348 110.0

54221.292

346.023

620.000

900.000

1.200.00

0

1.530.00

0

1.860.00

0

2.166.58

9

2.258.81

7

2.327.63

5

Vn, m3 - - - - 31.538

28.202

214.576

213.798

124.752 - - -

Hn, m 3,00 2,69 20,44

20,36

11,88 - - -

5

Tháng 7 8 9 10 11 12Vmax, m3 486.373 329.222 240.955 181.837 92.228 68.819Vmax lũy tiến, m3 1.414.576 1.743.798 1.984.752 2.166.589 2.258.817 2.327.635

Vb, m3 300.000 330.000 330.000 306.589 92.228 68.819Vb lũy tiến, m3 1.200.000 1.530.000 1.860.000 2.166.589 2.258.817 2.327.635

Vn, m3 214.576 213.798 124.752 - - -Hn, m 20,44 20,36 11,88 - - -

Hình 2. Biểu đồ khảo sát khối lượng nước chảy vào mỏQua bảng 2 và biểu đồ hình 2 cho thấy: từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau cần

thiết phải bơm cạn toàn bộ đáy moong, khối lượng nước cần bơm tối đa là 124.731 m3, còn các tháng mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 9), chiều sâu ngập nước có thể để lại tối đa 20m (khoảng 215.000 m3). Tuy nhiên, do tháng 7 và tháng 8 lượng mưa lớn nên khối lượng nước dồn lại bơm trong tháng 9 sẽ rất nhiều, do đó, sau khi cân đối, khối lượng nước tồn lại tại đáy moong lớn nhất là 314.576 m3 và chiều sâu ngập nước tương ứng là 20m với các tháng mùa mưa thì nhu cầu bơm nước moong sẽ là 330.000 m3/tháng tương đương 12.692 m3/ngày-đêm.

Theo phương pháp tính toán đề xuất, tổng lượng nước chảy vào mỏ là 12.692 m3/ngày-đêm, khi để ngập tối đa 02 tầng, khối lượng nước chứa tại đáy moong là 215.000 m3 thì số lượng máy bơm cần thiết là 4 chiếc, giảm 02 máy bơm so với cách tính truyền thống.

Kết luận và kiến nghị- Mỏ than Phấn Mễ với sản phẩm than mỡ, là nguồn cung cấp nguyên liệu để luyện than

cốc phục vụ cho ngành công nghiệp luyện gang, thép. Là một mỏ than lộ thiên sâu ở Việt Nam, vào mùa mưa, khối lượng nước tập trung tại đáy moong là tương đối lớn, khoảng 65.000 m3/ngày-đêm. Do đó, việc tính toán thoát nước hợp lý, đảm bảo điều kiện sản xuất bình thường, đồng thời giảm tối đa chi phí sản xuất của mỏ là rất cần thiết.

- Theo phương pháp tính toán thoát nước truyền thống là các trận mưa lớn phải được bơm cưỡng bức ra khỏi mỏ trong vòng 5 ngày, theo đó, với vũ lượng lớn nhất trong một trận mưa thì cần 6 máy bơm loại цн- 400. Tuy nhiên, theo phương pháp đề xuất, để thoát nước cho mỏ Phấn Mễ chỉ cần 4 máy bơm cùng loại.

- Theo nguyên tắc tính toán thoát nước này, theo nguyên tắc lưu giữ nước tại đáy moong từ 1-2 tầng, mùa mưa bơm cầm chừng, để lại bơm vào cuối mùa sẽ cho phép giảm 20-30% số lượng máy bơm cần thiết. Vì vậy, các mỏ lộ thiên xuống sâu có thể áp dụng phương pháp này trong việc tính toán thoát nước mỏ, chắc chắn sẽ giảm vốn đầu tư và chi phí sản xuất của mỏ./.

6