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 Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Máy và thiết bị mỏ,

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc
Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
- Theo chiến lược phát triển ngành than đến năm 2020, tầm nhìn đến năm
2030, sản lượng than khai thác dự kiến khoảng 50 triệu tấn, trong đó khai
thác hầm lò chiếm tỉ lệ ngày càng lớn.
- Có nhiều loại thiết bị chống giữ trong hầm lò, tuy nhiên cho đến nay, giá
khung thủy lực 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.
- 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. Do vậy việc: “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 đề tài là cấp thiết và đúng hướng.
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

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”.
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.
- Dùng giả thiết thanh hai bậc, ứng suất tương đương Von-Mises để tính
toán độ bền, độ ổn định của cột chống.
3
- 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 25
o
.
8. Điểm mới của luận án
- Xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập được
mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá với
lực tác dụng.

Quảng Ninh cần tiến hành 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. Trong các phạm vi giới hạn về chiều dày và góc dốc vỉa, khi lựa
chọn mô hình cơ giới hoá cần đề cập đến mối tương quan với yếu tố chiều
dài theo phương khu vực khai thác.
1.2. Giới thiệu thiết bị chống ở một số nước trên thế giới
1.3. Giới thiệu thiết bị chống ở các mỏ hầm lò Việt Nam
Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z
Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z là sản phẩm chống đỡ loại
nhẹ giữa giá chống xà treo và giá chống thủy lực trong khai thác than do
Trung Quốc chế tạo, được nhập và sử dụng tại Việt Nam từ năm 2006
Ưu điểm:
+ Diện tích chống đỡ lớn, cường độ chống đỡ cao.
+ Thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, di động linh hoạt, dễ lắp ráp, dễ điều
khiển.
+ Tháo lắp đơn giản, thuận lợi cho công tác vận chuyển.
+ Toàn bộ giá liên kết thành tổ hợp bằng xà đỡ, nâng cao tính ổn định của
giá, tạo một môi trường làm việc an toàn.
+ Thao tác đơn giản, nâng cao trình độ tự động hóa, giảm bớt cường độ lao
động của công nhân.
5
Nhược điểm: Khả năng kết hợp với cơ giới hóa không cao
TT
Các thông s
ố kỹ thuật c
ơ
bản
Đơn vị

Giá trị


kN 950

9 Áp suất bơm

MPa 31,5

10 Số lượng cột chống

cái 04

11 Đường kính xi lanh

mm 110

12 Góc dốc làm việc của giá độ

25
Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z
khung di động tại các mỏ than hầm lò là phù hợp. Đã nâng cao hiệu quả,
an toàn, giảm tổn thất tài nguyên trong khai thác than hầm lò.
Việc nghiên cứu, tính toán của nhóm nghiên cứu tại Việt Nam cũng
như trên thế giới đã đưa ra khá phong phú phương pháp nghiệm bền khung
giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z, mặc dù vậy mỗi phương pháp đều có
những ưu điểm, nhược điểm khác nhau. Những phương pháp này chủ yếu
7
đi sâu về nghiệm bền chi tiết đã có sẵn dựa trên các công thức sức bền vật
liệu kinh điển và mô phỏng mà chưa chỉ ra được phương pháp tính toán
kích thước hình học cụ thể theo từng điều kiện làm việc.
Chính vì vậy trong luận án này NCS sẽ tiếp tục nghiên cứu, tính toán,
đưa ra phương pháp nghiệm bền, lựa chọn kích thước hợp lý cho chi tiết
chính của giá khung thủy lực di động ZH 1600/16/24Z (mái trên và cột
chống) trong khai thác than hầm lò có góc dốc vỉa đến 25
0
vùng Quảng
Ninh.

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN, GIÁ
KHUNG THỦY LỰC
Giá khung thủy lực dùng để chống giữ khoảng không gian trong khai
thác hầm lò. Để tính toán thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực cần
nghiên cứu lý thuyết về tác động tương hỗ giữa vì chống và đá mỏ; ảnh
hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì chống và
đá vách; lý thuyết áp lực mỏ.
Trên cơ sở đó tiến hành tính toán, thiết kế giá khung dùng phù hợp
trong điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.
2.1. Tác động tương hỗ giữa vì chống và đất đá mỏ
2.2. Ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì
chống và đá vách

3.1.2. Số liệu về việc sử dụng giá khung thủy lực di động của Tập đoàn
Than- Khoáng sản Việt Nam (phụ lục 4)

- Tập đoàn đã có 10 công ty trong đó 41 lò chợ hiện đang sử dụng
giá khung thủy lực di động vào việc chống giữ lò chợ. Chiều dài lò chợ từ
40 đến 140 m; độ dốc lò chợ từ 5 đến 25 độ; áp suất làm việc: Thấp nhất là
7 MPa, cao nhất là 31 MPa
9
- Biểu đồ mô tả số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo
áp suất lò chợ tác dụng lên giá khung(hình 3.1).

Hình 3.1. Số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo áp suất
lò chợ tác dụng lên giá khung.
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
- Phần cơ khí các giá khung đảm bảo chắc chắn, chống giữ lò chợ đảm bảo
an toàn, khả năng làm việc ổn định.
- Hệ thống thủy lực được nhập khẩu đảm bảo cung cấp dịch cho giá khung
hoạt động ổn định. Cột chống sản xuất trong nước chất lượng tốt, hoạt
động bình thường, đảm bảo chống giữ lò chợ.
- Việc theo dõi áp lực mỏ lên các bộ giá khung thử nghiệm trong lò chợ
được tiến hành đo đạc thường xuyên trong các ca khai thác bằng đồng hồ
71.40%
22.90%

160 tấn, tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột chống thủy
lực (hình 3.5).
- Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng hình chỏm
cầu, chính vì vậy có thể “tự lựa” trong quá trình vận hành.
- Giả thiết trong quá trình làm việc tải trọng được phân bố đều trên toàn bộ
diện tích mặt trên của mái(hình 3.7)
- Tải trọng tác dụng lên các cột chống được lấy gần đúng là P= Q/4
- Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 0
0
cho tới 25
0
tải trọng tác dụng lên
giá khung được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn (


Q Qcos
  
)
11
3.5

Hình 3.6. Kết cấu của cột chống thủy lực

Hình 3.7. Giả thiết về khả năng chịu tải của mái trên
3.2. Tính toán mái trên
3.2.1. Thiết lập công thức kiểm nghiệm độ bền mái trên.


1
2
0









L
L
qLLRq
L
q
L
PM
iA
(3.2)
Suy ra:









1
2
1
L
LL
LLqR
L
LL
LLqR
(3.3)
Tính toán mô men quán tính mặt cắt ngang
Diện tích các phần của mặt cắt được xác định là:
00332211000333222111
hb4hb4hb2hbFhbF;hbF;hbF;hbF 

(3.12)
Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt được xác định
như sau:
12
hb
J;
12
hb
J;
12
hb
J;
12
hb
J

2
1
2Fhh
2
1
S 

(3.15)
Tọa độ trọng tâm của mặt cắt được xác định là:
     
0x;
hb4hb4hb2hb
hbhh2hbhhhbhh
2
1
y
c
00332211
33
2
0322201101
c




(do mặt cắt đối xứng qua
oy) (3.16)
x
3
YHình 3.9. Tiết diện mặt cắt ngang của mái trên
13
Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt và mô men tổng
được xác định:
2
c
x1 x1 1 0 1
2
c
x2 x2 0 2 2
x x1 x2 x3 x0
2
c
x3 x3 3 0 3
2
x0 x0 c 0
y
1
I J h h F;
4 2
y1
I J h h F ;
I I 2I 4I 4I
4 2
y1


(3.17)
Tính toán giá trị y
max
:




















c
0
3c
0
1max




2
2
2
0
2
1
2
0x
qL
2
1
;
2
qL
q2
R
;qL
2
1
MaxzMMax
(3.20)
3.2.2. Nghiệm bền mái trên của giá khung ZH 1600/16/24Z
Bảng 3.1. Kết quả tính toán của mái trên trường hợp chịu tải 160 tấn mm


960

F1

11520

S1x

-
1221120

I1x

85137715 Ymax1

91.99

b2

12
F2

1656
S2x

-51336
I2x

2824740.8
Ymax2


Ix
S

235210067h1

12
14
h2
138h3

20

     

15

Hình 3.11. Mô hình hình học khi mô phỏng tính toán
khả năng chịu tải mái trên
Kết quả tính toán mô phỏng
A B
C D
Hình 3.8. Các thành phân
ứng suất chính A, B, C;
biến dạng tương đương
của mái DNhận xét:
Bằng cả 2 phương pháp tính toán bằng giải tích hay mô phỏng đều
cho kết quả là kết cấu mái trên an toàn trong quá trình làm việc. Bằng việc
sử dụng phương pháp giải tích sẽ tính toán được hình dạng tiết diện ngang
hợp lý cho mái trên, từ đó thiết kế mô hình 3D cho mái và mô phỏng để
kiểm nghiệm lại, làm căn cứ cho tối ưu về hình dạng.
3.3. Nghiên cứu tính toán, nghiệm bền cột chống
Trong khi làm việc tổng tải trọng lớn nhất tác dụng lên mái là Q
max
=
160 tấn (Hình3.5), tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột
chống thủy lực. Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng
Hình 3.6. Chuyển vị của mái
Hình 3.7. Ứng suất tương đương Von – Mises


3.3.2. Tính toán độ bền xylanh
Xylanh làm việc an toàn khi:

Chiều dày tối thiểu của thành xylanh được xác định là: 3.4. Tính toán độ ổn định của cột chống
Để tính toán có thể coi cột chống là thanh hai bậc, có hai đoạn với
các thông số mô men quán tính tiết diện và chiều dài khác nhau, piston có
chiều dài L
1
và momen quán tính tiết diện là I
1
; tương ứng xylanh là L
2
và
I
2
, bị nén đúng tâm(Hình 3.6). Tải trọng tới hạn của cột chống được xác
định chính là nghiệm của phương trình[21]:








0LKsinLKcosKLKsinLKcosK
1122222111

l
x;rr
4
I;r
4
I 





Sử dụng phương pháp đồ thị để tìm ra nghiệm của phương trình lượng giác
trên là giao điểm của 2 đường cong H(Q) và G(Q) (hình 3.21). Từ đó xác
định được tải trọng tới hạn mà cột có thể chịu là 105.4 Tấn, như vậy cột
chống an toàn trong điều kiện làm việc.
Kết quả nghiên cứu trong chương 3 đưa ra được như sau:
. - Trên cơ sở các lý thuyết tính toán và nguyên lý làm việc của
chương 1 và chương 2 trong chương này đã đạt được những kết quả sau
 
 
 
2
4 4
1
eq 2 1
2 2
2 1
r
max p 1 3r / r
r r

CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DÙNG TRONG KHAI THÁC HẦM
LÒ VÙNG QUẢNG NINH CÓ GÓC DỐC ĐẾN 25
O
4.1. Tính toán lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung
4.1.1. Phương pháp tính toán để xác định một số thông số hợp lý
Trong chương này chủ yếu đi sâu vào tính toán hợp lý kích thước của
mái và cột bằng việc sử dụng các phương trình có liên quan đã được thiết
lập từ chương 3. Sau khi thay đổi tải trọng và vật liệu sẽ nhận được các
kích thước hợp lý cho chi tiết trong từng trường hợp, tiến hành thiết kế mô
hình 3D trên phần mềm SOLIDWORK và mô phỏng nghiệm bền lại chi
tiết trên phần mềm ABAQUS, để tăng thêm độ tin cậy của những kết quả
tính toán nhận được. Phương pháp thực hiện để xác định một số thông số
hợp lý sẽ được trình bày theo sơ đồ dưới đây: Hình 3.19. Đồ thị xác định tải
trọng tới hạn của cột chống

Hình 3.21. Đồ
thị xác định tải
trọng tới hạn
của cột chống

Giá trị của H (Q); G (Q)
Tải trọng tác dụng lên cột chống (Tấn)
18
4.1.2. Tính toán lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên
Theo những tính toán ở Chương 3 để xác định được các kích thước
cho mái an toàn trong điều kiện làm việc cần thỏa mãn điều kiện sau:


4.1.2.1. Thuật toán để xác định các kích thước hợp lý cho mái trên
Để thỏa mãn được điều kiện trên, thực hiện thuật toán “vét cạn” trên
ngôn ngữ lập trình C, trong đó: Tải trọng thiết kế P
tk
thay đổi từ 100 Tấn
đến 160 Tấn; ứng suất cho phép của vật liệu [] thay đổi từ 340 MPa đến
490 MPa; chiều dày tấm b
0
thay đổi từ 10 mm đến 20 mm; chiều cao h
0

thay đổi từ 100 mm đến 250 mm. Các thông số khác được giữ nguyên đó
là: b
1
=960 mm, b
3
=80 mm, h
2
=138 mm, h
3
=20 mm. Phương pháp tính
toán hợp lý được thể hiện bởi sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị
kích thước hợp lý cho mái dưới đây:

4.1.2.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý(hình 4.1)
4.1.2.3. Thiết kế, nghiệm bền chi tiết mái trên
Trong phần này nghiên cứu 3 trường hợp làm việc cụ thể của chi tiết,
tương ứng tải trọng tác dụng lên giá khung là 120, 140, 160 Tấn; vật liệu
chế tạo là thép 16MnSi có ứng suất chảy là 510 MPa, hệ số an toàn được
chọn là n = 1.5, nên có ứng suất cho phép [] =510/1.5 = 340 MPa. Căn cứ

2
, diện
tích mặt cắt ngang của mái trên sau khi hợp lý là: F
hl
= 24504 mm
2
.
Sau khi hợp lý diện tích mặt cắt ngang của mái đã được giảm là:
%44.20%100
30800
3080024504
%100
F
FF
F
ht
httu






P
tk
N
[]MPa


umax


Hình 4.1. Sự phụ thuộc kích thước
h
0min
vào tải trọng làm việc vào vật
liệu chế tạo mái trên
20
Hình 4.7.a. Phân bố trường ứng suất trong mái
ứng với tải trọng 120 Tấn
Hình 4.7.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái
tương ứng trường hợp tải trọng 120 Tấn

Hình 4.8.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái
tương ứng trường hợp tải trọng 140 Tấn
Hình 4.8.a. Phân bố trường ứng suất trong
mái ứng với tải trọng 140 Tấn

Hình 4.8.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái
tương ứng trường hợp tải trọng 140 Tấn
Hình 4.8.a. Phân bố trường ứng suất trong
mái ứng với tải trọng 140 Tấn

4.1.3. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho cột chống
4.1.3.1. Thuật toán để xác định các kích thước hợp lý cho cột chống
Cột chống được chế tạo bằng xylanh thủy lực. Trong nghiên cứu này việc
tính toán thông số hợp lý cho cột chống được thực hiện bằng việc kết hợp
2 điều kiện: bền và ổn định của cột chống.
+ Điều kiện bền được xác định như sau:
1
tk





120 Tấn
140 Tấn
160 Tấn
21
+ Điều kiện ổn định của cột chống: Tải trọng tới hạn của cột chống được
xác định chính là nghiệm của phương trình lượng giác sau đây
[21]:








0LKsinLKcosKLKsinLKcosK
1122222111


+ Điều kiện ổn định là P
tk
< Q
th
(Q
th
là tải trọng tới hạn mà không làm cho

2
1
min
1
tk
min,pt
r,r,r
minLrLrLrV
QP
3
p
2
p
1
r2
s
][
P
r












Để thỏa mãn được điều kiện (4.12), thực hiện thuật toán “vét cạn” trên
ngôn ngữ lập trình C. Trong đó: Tải trọng thiết kế P
tk
thay đổi từ 25 Tấn
đến 40 Tấn; Ứng suất cho phép của vật liệu[] thay đổi từ 600 MPa đến
750 Mpa; Bán kính piston thay đổi từ 30 mm đến 40 mm; Bán kính trong
xylanh thay đổi từ 55 mm đến 65 mm; Phương pháp tính toán hợp lý được
thể hiện bởi sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị kích thước hợp lý
cho cột chống dưới đây:

4.1.3.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý
Căn cứ vào bảng 4.2. thấy rằng:
- Kích thước hợp lý cho r
1
, r
pt
là: r
1
= 65 mm, r
pt
= 30 mm
- Kích thước r
2
được xác định thông qua r
1
và áp suất trong của
xylanh theo công thức: r
2
= r
1

mái trên được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn, được làm từ vật liệu
16MnSi có 
c
= 345 Mpa; 
b
= 510 Mpa; 
u
= 490 MPa kích thước hợp lý
được cho bởi bảng 4.3 dưới đây:
Bảng 4.3. Kích thước hợp lý cho mái trên
Q

Tấn
[]
MPa

umax

MPa
b
0

mm
h
0

mm
F
min
mm


[]
MPa

Q
th
Tấn
r
1

mm

r
2
mm
r
pt
mm

Vmin
mm
3

36 600 44.17302

65 68.01565

30 4257535

37 600 44.27302

+ Nghiệm bền lại chi tiết mái trong các trường hợp tải trọng 120 Tấn, 140
Tấn và 160 Tấn bằng phần mềm ABAQUS
+ Lựa chọn được dải kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống trong
điều kiện làm việc góc dốc đến 25
o
(Bảng 4.3, 4.4).
KẾT LUẬN CHUNG
Luận án đã đưa ra được kết quả như sau:
1. Đã xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập
được mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá
với lực tác dụng (công thức 4.6).
2. Từ lý thuyết cơ sở đã xây dựng được các quan hệ để tính toán độ dày
thành xylanh cột chống phụ thuộc vào áp suất trong xylanh và giới hạn bền
của vật liệu, giá trị áp suất lớn nhất mà xylanh có thể làm việc với giới hạn
bền của vật liệu cho trước. Việc tính toán độ ổn định của xylanh cột chống
với mô hình thanh chịu nén đúng tâm có tiết diện hai bậc phản ánh đúng
điều kiện làm việc của cột chống (công thức 4.12).
3. Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động đang
sử dụng trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu
thống kê và kết quả thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong
nước tại Công ty than Nam Mẫu, khẳng định sự cần thiết lựa chọn thông
số giá khung dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật mỏ than vùng Quảng