Nghiên cứu sự biến đổi cơ học trong khối đá khu khai thác trên mô hình và đề xuất giải pháp kỹ thuật thu nhỏ tiến tới không để trụ bảo vệ lò chợ dài góc dốc lớn mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

(ĐHVO). Than là một trong những năng lượng cơ bản quan trọng nhất, chiếm khoảng 30% tổng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới. Để sử dụng bền vững tài nguyên than hạn chế, bắt buộc phải tăng tỷ lệ thu hồi than và cải thiện vấn đề an toàn khai thác.

1. Lời giới thiệu

Than là một trong những năng lượng cơ bản quan trọng nhất, chiếm khoảng 30% tổng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới [11]. Để sử dụng bền vững tài nguyên than hạn chế, bắt buộc phải tăng tỷ lệ thu hồi than và cải thiện vấn đề an toàn khai thác. Sự biến dạng và sụp đổ của đường lò chuẩn bị có thể dẫn đến tai nạn nguy hiểm hoặc gián đoạn khai thác, làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất của mỏ. Việc ổn định đường lò chuẩn bị có liên quan đến các điều kiện ứng suất xung quanh nó. Theo tác giả Mahdi và cộng sự [15] đã thực hiện một cuộc điều tra về việc khai thác lò chợ dài có ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất ở khu vực biên giới của lò chợ và sự thay đổi ứng suất sẽ ảnh hưởng đến việc khai thác các tầng bên dưới. Họ phát hiện ra rằng ứng suất của trụ bảo vệ dao động lên xuống trong quá trình khai thác, và vùng trụ than bị biến dạng nằm cách nga ba lò chợ khoảng 12 m. Tác giả Thatowerska và các cộng sự [18] đã điều tra một số biến số ảnh hưởng đến sự phân phối lại ứng suất. Họ phát hiện ra rằng góc tiếp giáp của trụ bảo vệ có ảnh hưởng lớn hơn các yếu tố khác như độ sâu khai thác. Tác giả Basarir và các cộng sự [1] dự đoán các ứng suất xung quanh đường lò chuẩn bị bằng cách sử dụng phân tích thực nghiệm và số lượng của các phương pháp khai thác khác nhau. Những vấn đề như vậy cũng đã được đề cập trong tài liệu [5,10,17,19,23]. Các nghiên cứu này cho thấy sự phân phối lại ứng suất xung quanh đường lò chuẩn bị có liên quan đến nhiều yếu tố như cấu tạo địa chất, sơ đồ lò chợ và đứt gãy. Điều chắc chắn rằng, môi trường xung quanh, đặc biệt là trụ than giữa hai lò chợ khai thác liền kề, có ảnh hưởng quan trọng đến sự phân bố ứng suất xung quanh lò chuẩn bị.

Về tính ổn định của trụ than bảo vệ, hầu hết các nghiên cứu trước đây được thực hiện thông qua phân tích lý thuyết và mô phỏng số. Ví dụ, Gao [23] đã đánh giá sự ổn định của trụ than bằng lý thuyết giới hạn cân bằng. Trong nghiên cứu này, trụ than được chia thành ba vùng: vùng rời rạc, vùng dẻo và vùng đàn hồi. Tác giả Wang và cộng sự [21] đề xuất một cách tiếp cận bằng mô phỏng các trạng thái tĩnh và động của trụ than. Họ kết luận rằng tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều cao (W/H) của cột than rất quan trọng trong việc ảnh hưởng đến sự ổn định của trụ than. Các tác giả Bieniawski, Reed và các nhà nghiên cứu khác [4,14,22] đã phát triển các phương pháp khác nhau để thiết kế và tối ưu hóa kích thước trụ trụ than. Trong giai đoạn hiện nay, lò chuẩn bị cạnh khu vực phá hỏa được giữ lại bằng cách lấp đầy vật liệu nhân tạo là phương pháp khai thác không để lại trụ bảo vệ được sử dụng thường xuyên để tiết kiệm tài nguyên. Trong phương pháp này, lò dọc vỉa vận tải của tầng trên được giữ lại làm lò dọc vỉa thông gió cho lò chợ khai thác khai thác tầng dưới bằng cách sử dụng cũi lợn, dải đá chèn hay các loại vật liệu chèn khác. Trong mô hình khai thác này đã chứng minh được ưu thế là giảm tổn thất than trong các trụ bảo vệ. Tuy nhiên, việc tiêu thụ quá mức vật liệu chèn và yêu cầu vật liệu chèn khắt khe đặt ra giới hạn về mức độ phổ biến của phương pháp này khi áp dụng trong các điều kiện địa chất phức tạp, chẳng hạn như vỉa than dày. Do đó, cần phải tìm một phương pháp hiệu quả và kinh tế hơn để cải thiện tính bền vững và an toàn khai thác.

2. Phân tích sự ổn định của lò chuẩn bị khi khai thác với việc để lại trụ than bảo vệ

2.1. Phân tích sự ổn định của trụ than bảo vệ trên mô hình số

2.1.1. Vị trí nghiên cứu

Vị trí nghiên cứu được lựa chọn tại vỉa 11 thuộc mỏ than Khe Chàm I. Các tầng lò chợ được thiết kế với chiều dài lò chợ từ 90 ÷ 150 m và dài 300 ÷ 600 m, với góc dốc thay đổi từ 5 ÷ 17⁰. Độ dày trung bình của vỉa than là 2,35 m. Hình 1 cho thấy bản đồ cột của tầng vỉa nghiên cứu. Các tầng đá vách chủ yếu bao gồm sét kết, bột kết và cát kết hạt mịn. Phương pháp khai thác thực hiện khấu hết chiều dày vỉa, sơ đồ khai thác cột dài theo phương và điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần (tự sập).

Hình 1. Cấu tạo các lớp đá

2.1.2. Mô hình số

Để nghiên cứu các quy luật biến đổi của ứng suất thẳng đứng trên trụ than trong các điều kiện khai thác khác nhau, một mô hình số 3D đã được phát triển bằng phương pháp sai phân hữu hạn, như minh họa trong Hình 2. Kích thước của mô hình là chiều dài 300 m, chiều rộng 200 m, và chiều cao 150 m, dựa trên cột địa chất. Trong nghiên cứu này, việc khai thác được thực hiện bằng cách thay đổi các tính chất cơ học của vỉa than trong khu vực được cắt thành vật liệu đàn hồi rất mềm, trong trường hợp đó, khả năng chịu lực của đá bị cắt có thể được xem xét đầy đủ. Phương pháp tương tự của quá trình khai thác này cũng đã được các nhà nghiên cứu khác sử dụng [3,16].

Hình 2. Sơ đồ của mô hình số

Về các ràng buộc biên, các biên trái và phải hạn chế chuyển vị ngang và giới hạn dưới tương ứng hạn chế chuyển vị dọc, tương ứng. Tỷ lệ ứng suất ngang-dọc tối thiểu được giữ ở mức 0,8 theo ứng suất tại vị trí của vỉa than số 11. Phương trình cấu thành được áp dụng trong mô hình này là tiêu chí Mohr C Combomb, là một mô hình toán học mô tả phản ứng của vật liệu giòn đối với ứng suất cắt cũng như ứng suất bình thường. Các thông số thuộc tính của tầng đá trong mô hình số được trình bày trong Bảng 1.

Bảng 1. Các thông số cơ học của tầng đá.

2.1.3. Định luật biến đổi của ứng suất thẳng đứng trên trụ than

Trong mô hình số, tầng I và tầng II được khai thác liên tiếp để minh họa và phân tích ứng suất được ghi trên trụ than. Chiều rộng của trụ than giữa các tầng I và II lần lượt là 80 m, 50 m, 30 m, 15 m, 8 m và 5 m, có thể được sử dụng để thể hiện các mô hình khai thác khác nhau. Các bản đồ đường viền của ứng suất dọc được trình bày trong Hình 3.

Theo kết quả mô phỏng, có thể kết luận như sau:

(1). Về mặt dịch chuyển ứng suất, các đỉnh ứng suất dịch chuyển gần nhau hơn khi chiều rộng trụ than giảm. Hình dạng tổng quát của ứng suất thẳng đứng được uốn cong đôi khi chiều rộng trụ than lớn (80 m, 50 m và 30 m). Dần dần, hình dạng vòm đôi của ứng suất phát triển thành hình dạng vòm đơn (15 m, 8 m và 5 m), và ứng suất cực đại tích hợp cũng tăng theo. Trong thực tế, ứng suất thẳng đứng trên trụ than được gây ra trong hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, ứng suất được gây ra bởi việc khai thác lò chợ hiện tại hiện tại (lò chợ I). Sau khi các tảng đá xung quanh đã ổn định, ứng suất do khai thác dần dần đạt đến trạng thái cân bằng và không đổi. Sau đó, khi lò chợ II được khai thác, và một ứng suất bổ sung sau đó được đặt lên trên ứng suất hiện có. Cuối cùng, ứng suất thẳng đứng đạt được trạng thái cân bằng trên trụ than.

(2). Xét về cường độ ứng suất, vị trí của đỉnh ứng suất nằm ở phía trước lò chợ. Khi chiều rộng trụ than là hơn 50 m, hai đỉnh ứng suất gây ra bởi lò chợ I và II được phân phối gần các cạnh trụ than. Khi chiều rộng trụ than giảm, ứng suất trung tâm tăng lên trên cột, trong khi giá trị cực đại không đổi (khoảng 21,8 MPa). Khi chiều rộng trụ than là từ 50 m đến 30 m, cũng có hai đỉnh ứng suất phân bố ở hai bên. Tuy nhiên, các giá trị đỉnh tăng nhanh tương ứng với chiều rộng trụ than giảm. Khi chiều rộng trụ than nhỏ hơn 15 m, chỉ có một đỉnh ứng suất được chỉ định theo phương pháp vĩ mô. Ứng suất dọc tối đa đạt 27,8 MPa khi chiều rộng trụ than là 15 m. Tuy nhiên, khi chiều rộng trụ than tiếp tục giảm xuống 5 m, ứng suất cực đại giảm, như trong Hình 3f. Trong một trụ than hẹp, sẽ có nhiều khe nứt do khai thác phân bố trong thân trụ than. Về cơ bản, trụ than đã bị hư hại. Những khe nứt này cung cấp khoảng trống cho ứng suất giải phóng, làm cho ứng suất thẳng đứng giảm.

Như đã thấy trong các kết quả mô phỏng, luôn có các ứng suất tập trung phân bố trên trụ than, bất kể kích thước trụ. Cụ thể, khi trụ than rộng, ứng suất tập trung tương đối nhỏ. Khi chiều rộng trụ than giảm, ứng suất dọc tổng thể tăng. Khi trụ than quá hẹp để chịu áp lực tập trung, trụ than đã bị hư hại. Theo đó, chúng ta có thể kết luận rằng ứng suất tập trung là nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định đường lò chuẩn bị.

Hình 3. Quy luật biến đổi của ứng suất thẳng đứng trên trụ than. (a) Chiều rộng trụ than là 80 m. (b) Chiều rộng trụ than là 50 m. (c) Chiều rộng trụ than là 30 m. (d) Chiều rộng trụ than là 15 m. (e) Chiều rộng trụ than là 8 m. (f) Chiều rộng trụ than là 5 m.

2.2. Phân tích lý thuyết về tính ổn định của trụ than

Mô phỏng số chỉ ra rằng sự ổn định đường lò có liên quan cao đến các ứng suất xung quanh. Khi chiều rộng trụ than giảm, ứng suất dọc tổng thể tác động lên trụ than tăng. Khi trụ than quá hẹp để chịu áp lực tập trung, trụ than bị phá hủy. Do đó, chúng ta có thể hiểu rằng chiều rộng của cột than là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định của đường lò. Trong phần này, độ ổn định của đường lò liên quan đến chiều rộng trụ cột đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết trong ba mô hình khai thác thường được sử dụng, tức là khai thác với việc để lại trụ than rộng, trụ than hẹp và khai thác không để lại trụ than (sử dụng trụ bảo vệ bằng cách chèn lấp vật liệu nhân tạo).

2.2.1. Khai thác với việc để lại trụ than rộng

Trong khai thác với việc để lại trụ than rộng, sự xáo trộn từ tầng lò chợ khai thác hiện tại ít ảnh hưởng đến tầng lò chợ khai thác tiếp theo. Khi tầng lò chợ khai thác hiện tại đang hoạt động, đường lò đầu hoặc chân của tầng lò chợ khai thác tiếp theo có thể được đào cùng lúc, như trong hình 4. Kiểu khai thác này đặc biệt phù hợp với điều kiện phải khai thác nhiều tầng đồng thời.

Hình 4. Mô hình khai thác với việc để lại trụ than rộng

Khi trụ than rộng, trụ than có thể được chia thành bốn vùng, bao gồm vùng nứt gãy (I và I ‘), vùng dẻo (II và II’), vùng đàn hồi (III và III ‘) và vùng ứng suất ban đầu (IV và IV ‘) dọc theo chiều rộng của trụ, như trong hình 5.

Trong các vùng bị nứt và dẻo, ứng suất giới hạn bên có thể được biểu thị bằng [6]:

(1)

Ở đây:  N₀ – là khả năng tự chịu tải của trụ than; m – là chiều cao khai thác; f – là hệ số ma sát giữa đá vách và vỉa than; x – là khoảng cách từ sườn đường lò đến vùng nứt và dẻo; φ là góc ma sát trong của than.

Ứng suất trong vùng đàn hồi có thể được xác định như sau:

(2)

Ở đây: H và γ là chiều dày và trọng lượng đơn vị của đá chất tải; x_o – là tổng phạm vi của các vùng bị nứt và dẻo; K_o và b là hệ số không đổi phản ánh cường độ than và đất đá;

Ứng suất trong vùng ứng suất ban đầu có thể được viết là:

σ₃ = γH                                                             (3)

Trong kiểu khai thác này, ảnh hưởng khai thác của tầng I ít ảnh hưởng đến khai thác của tầng II và không có sự chồng chất áp lực lên trụ than (d ≥ 0). Do đó, áp suất tối đa trên cột than (K_{I, II}γH) chỉ được gây ra bởi một tầng khai thác, và trụ tương đối ổn định. Điều này đồng ý với kết quả thử nghiệm mô phỏng số.

Chiều rộng thiết kế của cột than rộng trong mô hình khai thác này có thể được viết là [27]:

B_w ≥ x_w1 + x_w2 + L_w (4)

Ở đây: B_w – chiều rộng trụ cột thiết kế; x_w1 và x_w2 tương ứng là chiều rộng vùng biến dạng dẻo gây ra bởi lò chợ khai thác hiện tại và lò chợ khai thác tiếp theo (tầng I và tầng II) và có thể sử dụng kết quả ở công thức (5); L_w – là chiều rộng của vùng đàn hồi chính (khoảng bằng 2 lần chiều cao khai thác).

(5)

Trong đó λ là hệ số ứng suất bên; C là góc ma sát trong của than; σ_c là cường độ nén đơn phương của trụ than; K_{I, II} là hệ số tập trung ứng suất gây ra bởi khai thác lò chợ.

Hình 5. Phân phối ứng suất trong mô hình khai thác cột than rộng

Như vậy, sự ổn định của đường lò trong một mô hình khai thác với việc để lại trụ than rộng có thể được đảm bảo tốt. Tuy nhiên, các trụ than quá khổ thường gây ra một lượng lớn tổn thất than, chiếm khoảng 10% ~ 30% tổng sản lượng than. Ngoài ra, mỗi tầng khai thác đòi hỏi hai đường lò chủ yếu được sử dụng cho vận chuyển và thông gió, điều này cũng làm tăng chi phí xây dựng và nhân công.

2.3.2. Khai thác với việc để lại trụ than hẹp

Mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp còn được gọi là đào lò cạnh vùng đã khai thác [8,28]. Tỷ lệ thu hồi của kiểu khai thác kiểu này lớn hơn nhiều so với mô hình khai thác với việc để lại trụ than rộng, như trong Hình 6.

Hình 6. Mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp

Tuy nhiên, khi trụ than để lại hẹp, áp lực giới hạn bên (hai bên hông) gây ra bởi hai tầng khai thác liền kề với nhau khiến áp suất toàn bộ lớn hơn trụ than rộng. Trong kiểu khai thác này, không có vùng ứng suất ban đầu, như trong hình 7. Áp lực ghép trên trụ than có thể được viết là:

(6)

Ở đây: L – chiều rộng của trụ than.

Như được thấy từ phương trình (6), khi chiều rộng của trụ than giảm, ứng suất toàn bộ tăng theo, do các hiệu ứng chồng chất ứng suất. Khi trạng thái ứng suất đạt tới tiêu chí phá hủy, trụ than sẽ bị hư hỏng hoặc bị nghiền nát. Mô hình lý thuyết trên có thể giải thích tốt kết quả mô phỏng số.

Hình 7. Phân phối ứng suất trong mô hình khai thác cột than hẹp

Kích thước của trụ than rất khó xác định chính xác cho mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp. Nếu chiều rộng của trụ than là không hợp lý, các khe nứt do khai thác trong trụ có thể dẫn đến rò rỉ không khí và tự cháy than. Ngoài ra, đường lò của tầng khai thác tiếp theo nằm gần vị trí cực đại của áp lực giới hạn (sườn) bên trong hầu hết các trường hợp, điều này có thể gây ra dịch chuyển mạnh và biến dạng lớn. Chiều rộng của trụ than cho trong trường hợp này có thể được biểu thị bằng [20,26]:

B_N ≥ X₁ + X₂ + X₃ (7)

Ở đây: X₁ – là chiều rộng của vùng dẻo khai thác – ép trong trụ than và có thể được xác định bằng công thức:

(8)

X₂ là chiều dài neo hiệu quả của bu lông (cáp); X₃ là chiều dài an toàn bổ sung xem xét tính ổn định của trụ than, theo kinh nghiệm khoảng 30% ~ 50% (X1 + X2); và K là hệ số tập trung ứng suất.

2.3.3. Khai thác không để lại trụ than (sử dụng trụ bảo vệ bằng cách chèn lấp vật liệu nhân tạo)

Trong sự phát triển từ đầu những năm 1950, việc giữ lại đường lò cạnh khu vực đã khai thác vẫn là một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong khai thác không để lại trụ than bảo vệ bằng cách lấp đầy các vật liệu nhân tạo. Trong kỹ thuật này, đường lò trước đó được giữ lại một cách nhân tạo cho tầng khai thác tiếp theo bằng cách điền vào vật liệu chèn, như trong hình 8. Kỹ thuật chính của mô hình khai thác này là trụ than hẹp được thay thế bởi các vật liệu chèn. Tuy nhiên, sự phân bố ứng suất trên trụ nhân tạo tương tự như trên một trụ than hẹp. Chiều rộng thiết kế của trụ nhân tạo có thể được viết là [9]:

(9)

Trong đó: F_s– là áp lực đá vách tác động lên trụ nhân tạo; σ’ – là cường độ nén trung bình của trụ vật liệu chèn lấp và k là hệ số an toàn, xấp xỉ 1,1 ~ 1,2.

Việc áp dụng kỹ thuật này có thể làm giảm tỷ lệ đào lò và tăng tỷ lệ thu hồi than. Tuy nhiên, mức độ tập trung ứng suất cao trên trụ nhân tạo và các vấn đề vật liệu chèn khổng lồ luôn là mối quan tâm. Nếu loại mô hình khai thác này được sử dụng trong một vỉa than dày, các vấn đề trên sẽ nghiêm trọng hơn. Do đó, bắt buộc phải tìm một phương pháp hiệu quả và kinh tế hơn để cải thiện tính ổn định đầu vào và tính bền vững khai thác.

Hình 8. Mô hình khai thác với việc hình thành trụ bảo vệ nhân tạo

3. Giải pháp ổn định đường lò chuẩn bị khi khai thác không để lại trụ than bảo vệ

Mô phỏng số cho thấy rằng trụ than luôn là một khu vực tập trung ứng suất trong sơ đồ khai thác cột dài. Sự truyền tải ứng suất gây ra bởi lò chợ khai thác là lý do chính khiến sự không ổn định của các trụ than bảo vệ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một trụ than rộng có lợi cho sự ổn định đường lò, nhưng lãng phí đáng kể tài nguyên than. Mặc dù khai thác với các trụ than hẹp có thể tiết kiệm nhiều tài nguyên hơn, nhưng đường lò trong sơ đồ khai thác này có xu hướng không ổn định hơn. Do đó, có thể kết luận rằng trụ than là một trong những nơi dễ bị phá hủy và bất ổn bởi môi trường xung quanh. Trong vài thập kỷ qua, việc khai thác không để lại trụ than bảo vệ bằng cách hình thành trụ bảo vệ bằng vật liệu nhân tạo đã được thử nghiệm ở nhiều mỏ. Tuy nhiên, trụ nhân tạo này cũng là một khu vực tập trung ứng suất giống như trụ than hẹp [24,25,29]. Ngoài ra, việc tiêu thụ quá mức vật liệu nhân tạo làm trụ cũng đặt ra giới hạn về mức độ phổ biến của kiểu khai thác này [2,13].

Trong sơ đồ khai thác cột dài, vòm sập đổ đá vách là một quá trình dịch chuyển phức tạp liên quan đến nứt vỡ đá, sập đổ và phân phối lại ứng suất. Bởi vì các dịch chuyển đường lò và đá vách vùng phá hỏa luôn được liên kết trong các mô hình khai thác thông thường, việc truyền ứng suất từ đá vách vùng phá hỏa là nguyên nhân chính cho sự tập trung ứng suất. Xem xét điều này, một phương pháp để cải thiện sự ổn định đường lò bằng cách loại bỏ trụ than và làm gián đoạn việc truyền tải ứng suất như sau:

3.1. Phương pháp cắt đá vách định hướng

Trước khi khai thác, đường lò và đá vách vùng sập đổ hợp thành toàn bộ cấu trúc dầm. Sau khi khai thác, đá vách vùng phá hỏa dần dần hạ thấp và sập đổ do trọng lượng của nó. Sự dịch chuyển của đá vách vùng phá hỏa chắc chắn sẽ tạo ra lực kéo lên đá vách lò dọc vỉa, do đó gây ra biến dạng ở đá vách đường lò. Nếu lực kéo bị giảm hoặc ngăn chặn, tình trạng ứng suất của đường lò sẽ được giảm bớt. Xem xét điều này, phương pháp cắt đá vách định hướng nhằm giảm sự ảnh hưởng nói trên được thể hiện như trong hình 9. Không giống như khai thác với việc hình thành trụ bảo vệ nhân tạo, đường lò trong phương pháp này được giữ lại bằng cách sử dụng chính đá vách sập đổ. Sau khi đá vách bị gãy, sự lan truyền ứng suất từ đá vách vùng phá hỏa vào lò dọc vỉa bị ngăn chặn. Theo phương pháp này, trụ than được loại bỏ hoàn toàn và áp lực lên đá vách lò chuẩn bị tương ứng giảm đi. Ngoài ra, các lớp đá vách của vòm phá hỏa sau khi sập đổ sẽ chịu toàn bộ sự dỡ tải của đá vách. Bởi vì phạm vi chịu lực của đá vách sập đổ lớn hơn nhiều so với trụ than hoặc trụ nhân tạo, do đó mức độ tập trung ứng suất sẽ được giảm bớt sau khi áp dụng kỹ thuật này.

Hình 9. Nguyên tắc của mô hình khai thác sử dụng phương pháp cắt đá vách định hướng (không để lại trụ than bảo vệ)

Để phá vỡ đá mỏ, hiện nay phương pháp chủ yếu sử dụng vẫn là nổ mìn. Tuy nhiên, trong quá trình nổ mìn, năng lượng nổ sẽ phân bố đều theo tất cả các hướng. Do đó, để giảm nhiễu và tạo ra khe nứt định hướng trong đá vách, năng lượng nổ mìn được điều khiển tích cực bằng cách sử dụng ống định hướng năng lượng nổ (bằng nhựa PVC có đục lỗ để định hướng dòng năng lượng nổ). Vụ nổ tạo ra các loại khí tốc độ cao, nhiệt độ cao và áp suất cao, hoạt động mạnh mẽ theo hướng định trước, như trong hình 10. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phương pháp cắt đá vách định hướng không chỉ có thể bảo vệ đá vách lò chuẩn bị khỏi bị xáo trộn, mà còn thuận lợi cho đá sập đổ.

Hình 10. Điều khiển chủ động sự lan truyền vết nứt bằng ống liên kết năng lượng. (a) Phương pháp nổ mìn thông thường. Các vết nứt do nổ mìn lan truyền theo các hướng ngẫu nhiên, trong trường hợp này đá vách lò chuẩn bị có thể bị hư hại. (b) Phương pháp nổ mìn định hướng. Các vết nứt do nổ mìn lan truyền theo hướng xác định trước, trong trường hợp này đá vách lò chuẩn bị có thể được bảo vệ tốt.

3.2. Phân tích độ ổn định của đường lò bằng cách sử dụng phương pháp cắt đá vách định hướng

* Phương pháp mô phỏng:

Sơ đồ mô hình hóa sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn dựa trên cơ học liên tục, nên có những hạn chế trong việc mô phỏng các vấn đề vòm sập đổ đá vách. Ngược lại, phương pháp phần tử rời rạc (DEM) là một phương pháp số động. Các khối hoặc thành phần trong mô hình DEM có thể dịch chuyển, xoay hoặc thậm chí tách khỏi mô hình chính. Do đó, DEM được áp dụng nhiều hơn trong việc mô phỏng các vấn đề biến dạng không liên tục và lớn [7,12].

Trong nghiên cứu này, DEM đã được sử dụng để khám phá sự ổn định đường lò trong các điều kiện khai thác khác nhau. Các điều kiện biên và các tham số cơ học của mô hình DEM giống như các điều kiện trong mô hình ở trên. Ba sơ đồ mô hình được so sánh trong mô phỏng, như được trình bày trong hình 11 bao gồm: Mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp 5 m; mô hình khai thác không để lại trụ than bảo vệ và sử dụng phương pháp cắt đá vách định hướng; mô hình khai thác không để lại trụ than bảo vệ mà không sử dụng phương pháp cắt đá vách định hướng.

Để định lượng sự ổn định của đường lò trong các điều kiện khai thác khác nhau, các điểm giám sát được thiết lập tương ứng ở giữa nóc đường lò.

* Phân tích tính ổn định của đường lò trong mô phỏng

Hình 11 cho thấy hình thái cấu trúc của đường lò và chuyển vị dọc của đá vách sau khi khai thác. Trong mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp, có một cấu trúc đá vách treo dài phía trên trụ than dễ gây ra sự tập trung ứng suất và biến dạng. Khi tải trọng của trụ than không thể chịu được áp lực đá vách, một hiện tượng không ổn định sẽ xảy ra. Như được thấy trong hình 11a, trụ than rõ ràng đã bị biến dạng dưới áp lực đá vách nói trên. Giá trị võng tối đa của đá vách trên đường lò là khoảng 835 mm trong sơ đồ đầu tiên.

Hình 11. Hình thái cấu trúc và biến thiên dịch chuyển trong các điều kiện mô phỏng khác nhau. (a) Mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp; (b) Mô hình khai thác không để lại trụ than bảo vệ và sử dụng phương pháp cắt đá vách định hướng; (c) Mô hình khai thác không để lại trụ than bảo vệ mà không sử dụng phương pháp cắt đá vách định hướng.

So với mô hình khai thác với việc để lại trụ than hẹp, độ hạ võng đá vách trên đường lò chuẩn bị giảm khoảng 66% xuống còn 283 mm sau khi áp dụng phương pháp bẻ cắt đá vách định hướng. Sau khi gãy, trạng thái dịch chuyển của đường lò và đá vách vùng phá hỏa trở nên ít liên kết hơn. Đá vách vùng phá hỏa đã trở thành dải đá chèn dọc theo đường gãy. Dải đá này hỗ trợ dỡ tải hiệu quả cho đá vách cơ bản, giúp giảm độ võng của đá vách trên nóc lò chuẩn bị.

Hơn nữa, nếu đá vách không bị gãy, đá vách trên lò dọc vỉa bị sụp cùng với mái vòm phá hỏa, như trong hình 11c. Lượng đá vách bị chùng xuống tại điểm quan trắc là khoảng 1891 mm trong sơ đồ. Từ kết quả mô phỏng, đặc biệt là sơ đồ thứ hai và cuối cùng, chúng ta có thể hiểu rằng sự nứt vỡ đá vách đã ảnh hưởng đáng kể đến sự chuyển động của các tảng đá xung quanh. Khi thực hiện phương pháp cắt đá vách định huống, đá vách không chỉ trong một môi trường ứng suất thấp mà còn bị biến dạng ít hơn. Trong một điều kiện địa chất nhất định, sự ổn định đường lò bằng phương pháp cắt đá vách định hướng tốt hơn so với sử dụng phương pháp khai thác thông thường.

4. Kết luận

Ở Việt Nam, than cung cấp hầu hết năng lượng cho sự phát triển của nền kinh tế và công nghiệp hóa. Độ sâu khai thác đang dần tăng lên, tài nguyên than đang dần cạn kiệt. Khai thác than an toàn và hiệu quả có ý nghĩa lớn đối với sự phát triển bền vững của tài nguyên và năng lượng, cũng như nền kinh tế và xã hội. Trong báo cáo này, tính ổn định của đường lò chuẩn bị được chọn làm mục tiêu nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu có thể rút ra một số kết luận sau:

(1)    Mô phỏng các mô hình khai thác khác nhau cho thấy các hoạt động khai thác có thể gây ra sự tập trung ứng suất trên trụ than bảo vệ. Khi chiều rộng của trụ than là hơn 30 m, có hai đỉnh ứng suất được phân bố ở hai bên. Khi chiều rộng trụ than giảm, các đỉnh ứng suất di chuyển gần nhau hơn và dần dần hợp nhất thành một. Trong quá trình này, ứng suất dọc gây ra bởi hai lò chợ khai thác, kết hợp với nhau và ứng suất tích hợp tăng dần. Tuy nhiên, khi chiều rộng trụ than nhỏ hơn 10 m, ứng suất ghép giảm đột ngột;

(2)    Trên cơ sở các tồn tại khi khai thác với việc để lại trụ than bảo vệ, báo cáo đề xuất phương pháp cắt đá vách định hướng trong sơ đồ không để lại trụ than bảo vệ. Trong phương pháp này, hình dạng của đá vách và vòm sập đổ được kiểm soát tích cực bằng cách bẻ gãy đá vách theo kỹ thuật nổ mìn định hướng, do đó làm giảm ứng suất lên đường lò chuẩn bị. Ngoài ra, đá vách sau khi sập đổ dọc bên cạnh lò dọc vỉa được sử dụng một cách hiệu quả trong vai trò dỡ tải cho đá vách cơ bản và do đó không cần thêm vật liệu chèn lấp nhân tạo.

(3)    Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp cắt đá vách định hướng có thể ngăn chặn sự lan truyền ứng suất từ mái vòm phá hỏa sang đá vách lò dọc vỉa, do đó làm cho đường lò ổn định hơn. Biến dạng của đá vách đường lò giảm khoảng 66% so với sử dụng phương pháp khai thác thông thường. Những kết quả này cho thấy phương pháp cắt đá vách định hướng không chỉ có thể tránh lãng phí tài nguyên mà còn thuận lợi để cải thiện sự ổn định của đường lò.

ThS. Ngô Thái Vinh¹, TS. Nông Việt Hùng², ThS. Nông Việt Trung²,

KS. Nguyễn Ngọc Bảo²,  KS. Vũ Mạnh Anh ³, TS. Nguyễn Hồng Thái³

¹ Trường đại học Mỏ – Địa chất

² Viện Công nghiệp Môi trường

³ Viện kinh tế công nghệ Việt Nam

Tài liệu tham khảo

1. Basarir, H.; Ferid Oge, I.; Aydin, O. Prediction of the stresses around main and tail gates during top coal caving by 3D numerical analysis. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2015, 76, 88–97.

2. Bu, T.; Feng, G.; Jia, K. Gateway side backfilling support technology of goaf side gateway in fully mechanized high cutting longwall mining face. Coal Sci. Technol. 2010, 38, 41–44.

3. Cheng, Y.; Wang, J.; Xie, G.; Wei, W. Three-dimensional analysis of coal barrier pillars in tailgate area adjacent to the fully mechanized top caving mining face. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2010, 47, 1372–1383.

4. Das, A.J.; Mandal, P.K.; Ghosh, C.N.; Sinha, A. Extraction of locked-up coal by strengthening of rib pillars with FRP-A comparative study through numerical modelling. Int. J. Min. Sci. Technol. 2017, 27, 261–267.