(ĐHVO). Mỏ than Mông Dương là một trong những mỏ khai thác than có trữ lượng lớn thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam – vinacomin. Những năm đầu tiên, mỏ than Mông Dương được viện Lenghiprosacht Liên Xô thiết kế và khai thác trữ lượng than thuộc mức -97.5 – LV bằng cặp giếng đứng trung tâm. Năm 2008, do kế hoạch công suất mỏ tăng cao, phần trữ lượng và các diện khai thác thuộc tầng nông từ mức -97.5 – LV cạn kiệt nên Công ty đã phối hợp với Công ty CP Tư vấn Đầu tư Mỏ và Công nghiệp lập dự án thiết kế giai đoạn II để mở rộng diện khai thác xuống tới mức -250. Khai trường khu Trung Tâm gồm tập vỉa trên và tập vỉa dưới, mức -250 cũng là mức kết thúc của đa số các vỉa thuộc tập vỉa trên.
4. Cơ chế gây mất ổn định của các hạng mục công trình đường lò
4.1. Những quan điểm chung
a. Quan điểm của Veisc A.A.
Theo tác giả Veisc A.A. sự mất ổn định của công trình ngầm có thể xảy ra theo một trong ba cơ chế sau:
+ Cơ chế nén ép tổng thể;
+ Cơ chế trượt lở cục bộ;
+ Cơ chế trượt lở dưới khuôn ép.
Việc tuân theo cơ chế này hay cơ chế kia phụ thuộc chủ yếu vào mức độ nén ép của đất đá. Ngoài ra, còn phụ thuộc vào yếu tố hình học vùng chịu tải và điều kiện chất tải.
Tiêu chuẩn chỉ số cứng có thể được sử dụng để đánh giá mức độ nén ép tương đối của khối đá nền. Chỉ số này được xác định như sau:
Ở đây: G – mô đun trượt; C – lực dính kết; j – góc nội ma sát;
q – tải trọng trung bình tác dụng từ phía nền lò có chiều rộng B theo khoảng cách bằng B/2 tính từ nền.
Chỉ tiêu độ cứng Ir phụ thuộc vào đặc tính chất tải và ứng suất. Thông số này của đất đá có giá trị lớn thì sự phá hủy có thể xảy ra dưới dạng trượt tổng thể, khi Ir có giá trị nhỏ thì phá hủy có thể xảy ra dưới dạng trượt cục bộ hoặc trượt dạng dưới khuôn ép.
Theo quan điểm của Veisc A.A., mức độ nén ép của công trình không phụ thuộc vào chiều sâu của công trình. Quan điểm này ít có tính thực tiễn do không đưa ra được các kết quả tính toán rõ ràng.
b. Quan điểm dựa trên sự phá hủy của khối trượt
Hình 1.1 cho thấy miền phá hủy có thể, được chia ra thành ba vùng: vùng I là khối lăng trụ tích cực, làm đẩy biến dạng hướng tâm; vùng II đẩy ra bên cạnh và vùng III trồi lên phía trên.
Hình 1.1. Các miền phá hủy
Giới hạn vùng I là đường thẳng tạo ra một góc y= 45°+ j/2 so với trục nằm ngang. Đường thẳng tạo ra góc 45°- j/2 so với trục nằm ngang tạo ra giới hạn của vùng III.
Dạng mặt phá hủy vùng II có thể thay đổi từ hình cung tròn khi j=0 thành hình xoắn logarit khi g=0, tải trọng tới hạn qu xác định bằng:
qu= C.Nc + q. Nq
Ở đây: c là lực dính kết của đất dá; q tải trọng.
D độ lún của nền; Nc và Nq là các thông số không thứ nguyên đặc trưng cho khả năng mang tải Nc = (Nq-1). cotgj.
Tùy thuộc mức độ ảnh hưởng của lực tác dụng lên quá trình biến dạng, quá trình phá hủy nền có thể xảy ra như sau:
+ Nếu lực dính kết giữa các lớp đá nền được bảo tồn, thì xảy ra hiện tượng bùng nền nhẹ. Một phần năng lượng biến dạng tích lũy sẽ được giải phóng, nhưng điều này sẽ không dẫn đến hiện tượng phá hủy khối đá.
+ Nếu hiện tượng trượt trên các mặt tiếp xúc giữa các lớp xảy ra thì các nứt nẻ nứt vỡ sẽ xuất hiện, hiện tượng này dẫn đến việc hông lò bị nén ép dẫn vào trong không gian hầm.
Theo quan điểm này, hiện tượng nén ép và đẩy trồi không phụ thuộc vào chiều sâu công trình. Quan điểm này ít được ứng dụng trong thực tế.
c. Quan điểm của Ximbarevich
Theo Ximbarevich bùng nền là quá trình hình thành vùng biến dạng không đàn hồi tại vùng nền lò. Việc xác định áp lực nền lên kết cấu chống giữ như kết quả của quá trình tác dụng tương hỗ giữa các lăng trụ đất đá trượt và các lăng trụ đùn đẩy đất đá.
Đất đá nền lò bị chất tải từ phía trên theo đường 1-1 hình 5.5, bằng một tải trọng thẳng đứng nào đó, dưới tác dụng của tải trọng này, đất đá bị đẩy trồi vào phía trong công trình (hiện tượng bùng nền).
Hình 1.2. Sơ đồ xác định quá trình bùng nền theo Ximbarevic
Điều kiện tác dụng tương hỗ theo Ximbarevich M.M, giữa lăng trụ trượt ABC (áp lực chủ động) và lăng trụ bị đẩy trồi ACE (áp lực bị động) như sau:
+ Chiều sâu của vùng lăng trụ trượt Xo được xác định như sau:
Ở đây: H1 = H+b; với H là chiều cao lò, B chiều cao vòm cân bằng tự nhiên
Đất đá tại độ sâu h> x0 sẽ nằm trong trạng thái thái cân bằng đàn hồi, còn tại độ sâu h<x0 sẽ nằm trong trạng thái bị dịch chuyển vào trong lò, gây hiện tượng bùng nền. Quan điểm của Ximbarevic thường được sử dụng khi đất đá ở trong điều kiện không bị nén ép.
d. Quan điểm của Aydan
Quan điểm này dựa trên kinh nghiệm thi công các đường lò ở Nhật Bản có độ sâu lớn, chịu áp lực thủy tĩnh.
Theo quan điểm của Aydan, vùng đất đá nằm ở độ sâu lớn tồn tại áp lực thủy tĩnh P0. Khi thi công công trình, vùng đất đá xung quanh công trình (A) (hình 1.3) bị biến đổi trạng thái ứng suất, vùng (A) có bán kính là Rpb, bên ngoài vùng này là vùng (B) chịu áp lực thủy tĩnh ban đầu P0 và không bị ảnh hưởng bởi quá trình thi công công trình. Khi đó, vùng (A) sẽ chịu áp lực thủy tĩnh từ vùng (B) và áp lực chống giữ công trình. Hiện tượng nén ép và bùng nền của công trình là do áp lực chống giữ không đủ chống lại áp lực thủy tĩnh P0.
Hình 1.3. Quá trình nén ép và bùng nền theo Adyan
4.2. Liên hệ trong điều kiện khu vực các hạng mục đường lò mất ổn định tại mỏ than Mông Dương
Nguyên nhân gây ra hiện tượng nén ép, mất ổn định và bùng nền là do áp lực thủy tĩnh cường độ lớn. Trong số các quan điểm về cơ chế gây mất ổn định lò đã nêu ở trên, chỉ có quan điểm của Adyan đưa ra cơ chế gây mất ổn định và bùng nền do áp lực thủy tĩnh và do sự phá vỡ kết cấu nguyên sinh của khối đá. Vì vậy giải pháp vận dụng quan điểm của Adyan để làm rõ cơ chế gây mất ổn định và bùng nền cho các đường lò của mỏ than Mông Dương như sau: Sau khi thi công các công trình và trong thời gian nó được sử dụng với các mục đích khác nhau, khu vực đất đá bị nén ép xung quanh các công trình bị mất trạng thái cân bằng ban đầu và thay đổi trạng thái ứng suất (hình 1.5). Kết cấu chống giữ công trình phải có khả năng chịu tải đủ lớn để thiết lập một trạng thái cân bằng mới. Tuy nhiên do ứng suất sinh ra rất lớn và kết cấu chống ở nhiều vị trí chưa đảm bảo khả năng chịu lực, vì chống bị nén ép, biến dạng. Nền lò bị đẩy trồi do không có kết cấu chống giữ (hình 1.6).
Hình 1.4. Mô hình tương trưng cho khu vực đất đá bị nén ép từ các phía khác nhau
Hình 1.5. Biến đổi trạng thái ứng suất ngay khi thi công công trình
Hình 1.6. Biến đổi trạng thái ứng suất sau khi thi công công trình
Ngoài ra, sau khi đường lò được đào vào khối đá, trong thời gian đầu thì quá trình biến dạng đá trong vùng ứng suất bao quanh đường lò phát triển theo các giai đoạn sau: đầu tiên là biến dạng khối đá nằm ngay cạnh biên lò, được gọi là vùng biến dạng đàn – dẻo (vi khe nứt) như mô tả tại hình (2), sự phát triển của ứng suất làm cho đất đá bao quanh đường lò tiếp tục bị nghiền vỡ, đồng thời với việc phát triển tiếp tục bán kính vùng biến dạng dẻo gây nên quá trình nén nóc (hình 1.7).
Hình 1.7. Đặc điểm biến dạng sau khi đường lò được đào vào khối đá
Để chống sự biến dạng đá bao quanh đường lò, phải xác định được kích thước vùng phá hủy nền lò. Sau một thời gian sử dụng, áp lực tác động lên đường lò không chỉ từ phái nóc mà còn phát triển mạnh tại các vị trí hông và nền lò trong vùng biến dạng dẻo theo chu tuyến elip (hình 1.8).
Hình 8. Đặc điểm biến dạng lò trong quá trình đường lò được sử dụng lâu dài
Kích thước hình elip theo mối liên hệ sau:
Trong đó:
m = Nghịch đảo của chỉ số Poission
Rm Độ bền kéo của đá bao quanh đường lò
Pz Áp suất theo chiều thẳng đứng
a, b Bán kính theo chiều dài và chiều ngắn của hình elip.
Từ kết quả phân tích trên, kết hợp với số liệu đo đạc và khảo sát thực nghiệm tại mỏ cho thấy rằng, áp lực mỏ và áp lực trương nở đất đá xung quanh lò là nguyên nhân chính gây ra các cơ chế mất ổn định của công trình.
5. Kết luận:
Kết quả khảo sát thực tế và đánh giá đặc điểm điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ cho thấy rằng mỏ than Mông Dương có đặc điểm điều kiện địa chất phức tạp. Nhiều hạng mục công trình phải đào qua vùng đất đá yếu và kém ổn định. Mặc dù trong những năm đầu có thể đạt được yêu cầu nhưng theo thời gian phục vụ của các hạng mục, các đường lò này xuống cấp trầm trọng. Nhiều hạng mục đã được thực hiện chống xén, gia cường khối đá xung quanh bằng keo hay vữa xi măng nhưng chưa đạt được hiệu quả. Chi phí bảo trì các công trình tăng cao làm ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất.
Tình trạng các đường lò bị nén ép, tụt nóc và bùng nền ở các mức độ khác nhau, đòi hỏi phải có các giải pháp xử lý phù hợp với từng điều kiện cụ thể.
Theo các giả thuyết thì hiện tượng biến dạng lò hầu hết là do áp lực thủy tĩnh gây nên. Đất đá có độ bền thấp nằm trong một vùng địa tầng rộng có khả năng hình thành nên áp lực thủy tĩnh. Khi chiều sâu bố trí đường lò tăng lên, cường độ của áp lực thủy tĩnh này cũng tăng lên. Áp lực thủy tĩnh với cường độ lớn và tăng dần theo thời gian phục vụ của đường lò đã gây ra hiện tượng biến dạng, nén bẹp cho các đường lò.
Ngoài ra, cơ chế gây ra hiện tượng biến dạng lò là do quá trình phân bố lại ứng suất của khối đá bị nén ép xung quanh các đường lò. Do ứng xuất trong vùng bị nén ép này là ứng suất thủy tĩnh nên khi phân bố lại ứng suất, khối đá gây ra lực tác dụng lên kết cấu chống giữ từ tất các các hướng. Ở những vị trí kết cấu chống giữ không đủ khả năng chống lại lực tác dụng, sẽ có hiện tượng kết cấu chống bị nén ép, biến dạng. Ở những vị trí không có kết cấu chống giữ, đất đá bị đẩy trồi vào bên trong công trình.
Nông Việt Trung; KS. Nguyễn Ngọc Bảo; Nông Việt Hùng;
Viện Công nghiệp Môi trường
Nguyễn Phương Đông; Nguyễn Cao Khải; Ngô Thái Vinh
Trường Đại học Mỏ Địa chất
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Xuân Mạn (1998), Cơ học công trình ngầm và tính toán kết cấu chống giữ.
Bài giảng cao học. Trường Đại học Mỏ- Địa chất.
2. Võ Trọng Hùng (1998), Vật liệu, kết cấu chống mới trong xây dựng công trình ngầm và mỏ. Bài học cao học, Trường Đại học Mỏ- Địa chất.
3. Nguyễn Quang Bích (2005), Các biện pháp nâng cao hiệu quả thi công xây dựng công trình ngầm. Bài giảng cao học, Trường Đại học Mỏ – Địa chất.
4. Nguyễn Quang Bích (2006), Cơ học đá, NXB Xây dựng. Hà Nội.
5. Nguyễn Đức Toản (2002), Bê tông phun. Tạp trí cầu đường Việt Nam tháng 12 năm 2002
6. Tổng công ty than Việt Nam (2003). Hướng dẫn đào chống lò đá bằng vì neo kết hợp bê tông phun khô ở các mỏ than hầm lò.
7. Tập đoàn công nghiệp than- khoáng sản Việt Nam (2006), Tiết kiệm mẫu sử dụng trong đào chống các đường lò.
8. Viện khoa học công nghệ mỏ- TKV (2006), Dự án đầu tư áp dụng thử nghiệm công nghệ cơ giới hóa đào lò bằng máy Combai của Tập đoàn công nghệ than- khoáng sản Việt Nam.
9. Tao Z, Chen JX (1984), Behavior of rock bolting as tunneling support. In: Stephansson O, editor. Proceedings of the International Symposium on Rock Bolting. Rotterdam: Balkema.
10. Bieniawski, Z (1987), Strata Control in Mineral Engineering, John Wiley & Sons, Inc. pp. 29-57.
