phương pháp phân loại khối đá phục vụ công tác khai thác mỏ

Khả năng áp dụng phương pháp LI.Baron để xác định hệ số kiên cố (f) của đá phục vụ khai thác than ở các mỏ than của than Việt Nam Phạm Đại Hải (1) Trần Văn Yết (1) Application of LI.Baron method for determining solid coefficient of rock for coal exploitation processes in the coal mines of Vinacoal Abstract: Massive rock classification method according to the solid coefficient (f) of Protodiakonov is simple, easy for application and it has been used in the Russia, Vietnam, as well as the former socialist countries. However, the calculation method of the coefficient (f) has some unconformable questions. LI.Baron established his new formula for determining solid coefficient of the rock. According to his formula, the experience solid coefficient (f) that applied in mines is suitable for mining rock massive. In the basis of this method, by the authors of this paper, the solid coefficient (f) of some rock types at Mao Khe mine is presented. Có thể nói cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều phương pháp phân loại khối đá phục vụ công tác khai thác mỏ. Tuy nhiên trong điều kiện của Việt Nam (đặc biệt là ngành than), phương pháp xác định hệ số đá mỏ của Protodiakonov đã được sử dụng rộng rãi và ăn sâu vào tiềm thức của tất cả những người làm công tác khai thác mỏ (kể cả những người công nhân làm việc ở các mỏ khai thác than hầm lò hay lộ thiên). Hệ số kiên cố (f) đã được sử dụng làm chỉ tiêu để định mức vật tư trong hoạt động khai thác các mỏ than qua nhiều năm và đã thể hiện tính ưu việt và đúng đắn của nó. I. Khái niệm cơ bản về hệ số kiên cố (f) của Protodiakonov Trong lĩnh vực công nghiệp mỏ, theo quan điểm của các nhà nghiên cứu và công nghệ thì đá mỏ được chia thành các loại khác nhau: đá cứng, đá nửa cứng, đá chặt xít, đá mềm, đá rời rạc, đá đã được phá huỷ. Chúng được đặc trưng bởi tính chất cơ học và vật lý như: Độ bền chịu nén ((n), độ bền chịu kéo ((k), độ bền chịu uốn ((u), dung trọng (() …… và tính chất công nghệ như: Độ kiên cố, độ mài mòn, độ cứng, độ bền tiếp xúc, độ cản cắt… Tất cả các tính chất cơ học vật lý và tính chất công nghệ của đá mỏ phục cho các quá trình khai thác khoáng sản được gọi chung là tính chất cơ học vật lý - công nghệ đá mỏ. Như vậy hệ số kiên cố của Protodiakonov vẫn được sử dụng thuộc vào các tính chất công nghệ của đá mỏ Mục tiêu quan trọng nhất khi phân loại đá mỏ là phải đánh giá được mức độ kiên cố của các loại đá khác nhau, thậm chí trong cùng một loại đá. Protodiakonov cho rằng để đạt được diều đó, phương pháp tốt nhất là so sánh các loại đá theo mức độ kiên cố của 1. Phòng Địa cơ học Mỏ Viện Khoa học công nghệ Mỏ Số 3 Phan Đình Giót - Thanh Xuân - Hà Nội. Tel: 04 - 8647062 Emai: phamdaihai@yahoo.com đá mỏ từ điều kiện thực tế trong quá trình khai thác với kết quả thí ngiệm mẫu đá. Ông cho rằng đất đá mỏ nằm trong một tổ hợp ứng suất phức tạp bất kỳ nào đó song có thể đưa về một dạng đơn giản cho người sản xuất dễ sử dụng. Do vậy từ độ kiên cố có thứ nguyên Protodiakonov đã đưa ra hệ số kiên cố (f) khi so sánh độ kiên cố của một loại đá nào đó với một đơn vị kiên cố (đơn vị được lấy là 100 kG/cm2). Và như vậy hệ số kiên cố (f) đã trở thành cơ sở quan trọng để phân loại đá mỏ, cho phép so sánh các loại đá mỏ với nhau trong khi chưa biết được những loại ứng xuất nào và chúng tác động ra sao trong đá mỏ, thí dụ như : đá bột kết có f = 6, đá cát kết có f = 9 … Theo phương pháp phân loại đơn giản này hệ số kiên cố (f) đã được sử dụng rộng rãi, có hiệu quả trong công nghiệp khai khoáng ở các nước Xã hội chủ nghĩa trước đây và ở Việt Nam từ trước đến nay (đặc biệt là được sử dụng rộng rãi trong công nghệp khai thác than) Protodiakonov đã đưa ra 7 phương pháp kinh điển để xác định hệ số kiên cố (f), và phương pháp được sử dụng ở Việt Nam là xác định theo ứng lực phá huỷ của đất đá mỏ. Hệ số kiên cố (f) của đá mỏ được xác định theo giới hạn độ bền nén một trục của đất đá và được xác định theo công thức: f = (n/100 trong đó: (n là cường độ kháng tải của đất đá mỏ khi chịu nén một trục Những khó khăn khi sử dụng công thức cổ điển của Protodiakonov để xác định hệ số kiên cố (f): Thực tế hiện nay, trong tất cả các đầu mục công việc khai thác than có liên quan đến hệ số kiên cố, công thức được sử dụng để xác định hệ số kiên cố vẫn là công thức cổ điển của Protodiakonov: f = (n/100. Khi sử dụng công thức này đã xảy ra hiện tượng sau: - Mỏ than Hà Tu: Khi gặp bột kết dai thì hệ số kiên cố xác định được trên cơ sở thí nghiệm độ bền nén một trục thường nằm trong khoảng f = 5 - 6. Nếu sử dụng giá trị này để định mức vật tư nổ mìn thường cho chất lượng bãi nổ không tốt; bởi vậy buộc các kỹ sư địa chất mỏ phải tăng giá trị hệ số kiên cố lên f = 8 - 9 - Các mỏ khai thác than khác như mỏ Mạo Khê, Cao Sơn, Nam Mậu, Hà Lầm, Khe Chàm,….,thì một sô loại đá có hệ số kiên cố xác định được bằng công thức cổ điển của Protodiakonov trên cơ sở kết quả thí nghiệm nén một trục lại cao hơn rất nhiều hệ số kiên cố cho phép để xác định định mức vật tư (đối với mỏ hầm lò f<10 và mỏ khai thác lộ thiên f<14) Nhìn chung, các doanh nghiệp thuộc than Việt Nam (TVN) đang quản lý và khai thác than thuộc bể tha antraxit Quảng Ninh đều gặp phải hiện tượng tương tự như trên. Có thể thấy rõ ở bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá năm 2004 của hai mỏ Mạo Khê và Cao Sơn) Bảng 1. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý năm 2004 - mỏ than Mạo Khê Tên đá Khối lượng thể tích (g/cm3 ) Độ bền kéo (kG/cm2) Độ bền nén (kG/cm2) Hệ số kiên cố (fp) Mức -25 Mức -80 Mức -25 Mức -80 Mức -25 Mức -80 Mức -25 Mức -80 Cát kết 2,4 - 2,7 2,5 2,4 - 3,3 2,6 45 - 142 76 29 - 144 72 528-1681 119 346-1707 1136 5 - 17 12 3 - 17 11 Bột kết 2,5 - 3,2 2,6 2,3 - 2,9 2,6 24 - 138 48 24 - 124 52 125-1148 714 271-1173 786 1 - 12 7 3 - 12 8 Sét kết 2,2 - 2., 2,4 2,1 - 2,6 2,4 8 - 38 19 14 - 48 28 91-454 232 148-435 330 1 - 5 2 1 - 4 3 Bảng 2. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá năm 2004 - mỏ Cao Sơn Tên đá Số mẫu Tính chất cơ lý Khối lượng thể tích ( g/cm3 ) Độ bền kéo (kG/cm2) Độ bền nén (kG/cm2) Hệ số kiên cố ( fp ) Sạn kết 42 2,50 - 2,65 2.58 54 - 127 91 1118 - 1881 1364 11 - 17 14 Cát kết 113 2,51 - 2,69 2,61 44 - 146 90 649 -1655 1217 7 - 17 12 Bột kết 18 2,58 - 2,69 2,63 34 - 89 53 470 - 933 693 5 - 9 7 Từ những thí nghiệm trên cho thấy ở các mỏ khai thác than hầm lò (mỏ Mạo Khê) nhiều vị trí đất đá có hệ số kiên cố (f) vượt qua giá trị cho phép (f=10); và mỏ khai thác than lộ thiên (mỏ Cao Sơn) có hệ số kiên cố vượt qua giá trị cho phép (f = 14). Mặt khác, thực tế sản xuất tồn tại hiện tượng : đối với các loại đá có hệ số kiên cố nhỏ (hệ số kiên cố xác định theo công thức cổ điển của.Protodiakonov) thì chi phí vật tư chưa chắc đã thấp, và đá có hệ số kiên cố cao thì nhiều khi lại cao hơn so với giá trị thực tế tai mỏ II. Xác định hệ số kiên cố (f) theo phương pháp của Baron Qua nhiều năm sử dụng phương pháp phân loại khối đá theo hệ số kiên cố của GS.VS.Protodiakonov người ta nhận thấy còn một số tồn tại và đặc biệt là khi sử dụng công thức xá định (f) qua kết quả thí nghiệm nén một trục ở phòng thí nghiệm, khi đó xảy ra hiện tượng: -Đối với đất đá có độ bền nén thấp ((n xác định tại phòng thí nghiệm) thì hệ số kiên cố tính toán theo (n lại nhỏ hơn hệ số kiên cố thu được từ thực tế tại mỏ -Ngược lại đối với các loại đá mỏ có cường độ kháng nén lớn ((n xác định tại phòng thí nghiệm) có hệ số kiên cố cao hơn hệ số kiên cố tại mỏ Các hiện tượng trên đã được nhiều nhà khoa học của Liên Xô quan tâm nghiên cứu, trong đó nổi bật nhất là công trình nghiên cứu của GS.TS.Baron Năm 2004, phòng Nghiên cứu Địa Cơ Mỏ - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ thực hiện nhiệm vụ của TVN giao về việc xác định chỉ tiêu cơ lý đá ở các mỏ khai thác than lộ thiên và hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh; khi tính toán, xử lý số liệu cũng đã gặp hiện tượng trên Để giải quyết các hiện tượng này Baron, qua nhiều năm nghiên cứu, đã đưa ra phương pháp chuẩn xác lại phương pháp tính hệ số kiên cố của Protodiakonov cho phù hợp với thực tế sản xuất tại mỏ Cơ sở lý thuyết phương pháp xác định hệ số kiên cố (f) của Baron Baron đã cho rằng: Khi tiến hành xây dựng hệ số kiên cố chung cho các loại đá từ kết quả thí nghiệm nén mẫu một trục thì đơn vị của (f) đối với các loại đá có độ kiên cố khác nhau sẽ phải khác nhau -Đối với đá yếu thì phải nhỏ hơn 100 (kG/cm2) -Đối với đá cứng thì đơn vị phải lớn hơn 100 (kG/cm2) Trên cơ sở xử lý các kết quả thí nghiệm và các số liệu thu nhận được từ các mỏ, ông đã đưa ra công thức để xác định hệ số kiên cố (f) chung cho các loại đá theo kết quả thí nghiệm nén mẫu đá bằng phương pháp nén mẫu một trục : f = ((n/300 ) + ( n σ /30) Trong đó: f - Hệ số kiên cố (n - Giới hạn độ bền nén một trục (kG/cm2) Cơ sở quan trọng nhất để Baron đưa ra công thức là ông đã lấy hệ số kiên cố (f) theo kinh nghiệm nhiều năm ở mỏ làm cơ sở đưa ra phương pháp xác định hệ số kiên cố (f) của mình. Theo quan điểm của ông: Hệ số kiên cố kinh nghiệm tại mỏ rất phù hợp cho khối đá mỏ, ở một khía cạnh nào đó nó có thể đại diện cho khối đá cụ thể và đáp ứng được cho việc tính toán các công trình công nghệ khai thác mỏ III- Xác định hệ số kiên cố cho các loại đá mỏ Mạo Khê - theo phương pháp của Baron Các loại đá trầm tích trong địa tầng chứa than mỏ than Mạo Khê bao gồm các loại chủ yếu là: Cát kết, bột kết, sét kết. Trên cơ sở kết quả thí nghiệm nén mẫu một trục năm 2004 chúng tôi đã xác định hệ số kiên cố bằng phương pháp của Baron. Kết quả cụ thể đối với từng loại đá như sau: -Đá cát kết Bảng 3. Kết quả xác định hệ số kiên cố của đá cát kết mỏ Mạo Khê theo phương pháp của Protodiakonov và Baron Độ bền nén kG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén kG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén kG/cm2 Hệ số kiên cố theo fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodia konov 1296 10,9 13,0 1181 10,2 11,8 1859 14,1 18,6 1007 9,0 10,1 1184 10,1 11,8 1590 12,5 15,9 1007 9,0 14,0 1452 11,7 14,5 1410 11,5 14,1 1466 11,9 14,0 1431 11,7 14,3 1411 11,6 14,1 1408 11,5 9,6 1734 13,4 17,3 1662 13,0 16,6 963 8,8 12,5 1537 12,3 15,4 1719 13,2 17,2 1252 10,6 14,1 841 8,1 8,4 714 7,2 7,1 1414 11,4 17,1 1159 10,0 11,6 1418 11,6 14,2 1708 13,2 5,2 1589 12,6 15,9 552 6,1 5,5 522 5,8 17,2 1287 10,8 12,9 1429 11,6 14,3 1721 13,3 9,2 1563 12,4 15,6 785 7,7 7,9 917 8,6 17,6 1296 10,9 13,0 1839 13,9 18,4 1763 13,5 9,4 1197 10,3 12,0 1826 13,9 18,3 943 8,7 17,4 1727 13,3 17,3 1783 13,6 17,8 1742 13,3 15,6 1807 13,8 18,1 1778 13,6 17,8 1561 12,4 13,6 1312 11,0 13,1 1357 11,1 13,6 1364 11,3 7,3 1414 11,5 14,1 1058 9,5 10,6 726 7,2 1408 11,5 14,1 -Đá bột kết Bảng 4. Kết quả xác định hệ số kiên cố của đá bột kết mỏ Mạo Khê theo phương pháp của Protodiakonov và Baron Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov 441 5,3 4,4 1030 9,2 10,3 774 7,6 7,7 318 4,3 3,2 1069 9,5 10,7 712 7,2 7,1 1049 9,4 10,5 707 7,1 7,1 894 8,4 8,9 952 8,8 9,5 536 6,0 5,3 935 8,7 9,4 590 6,4 5,9 689 7,0 6,9 597 6,4 6,0 620 6,7 6,3 360 4,7 3,7 365 4,7 3,6 234 3,6 2,4 567 6,2 5,7 475 5,5 4,7 421 5,1 4,2 316 4,3 3,2 628 6,6 6,3 599 6,4 6,0 1091 9,7 10,9 893 8,4 8,9 706 6,9 7,1 780 7,6 7,8 560 6,1 5,6 DO THI BIEU DIEN QUAN HE VE HE SO KIEN CO CUA DA CAT KET - MO MAO KHE DUOC XAC DINH THEO PHUONG PHAP CUA PROTODIAKONOV VA BARON 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 0 500 1000 1500 2000 Do ben nen ( KG/cm2 ) He so kien co ( f ) He so kien co duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs.Protodiakonov He so kien co duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs-Ts.Baron Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov 650 6,8 6,5 723 7,2 7,2 773 7,6 7,7 856 8,2 8,6 880 8,3 8,8 787 7,7 7,9 481 5,6 4,8 770 7,7 7,8 740 7,4 7,4 700 7,1 7,0 742 7,4 7,4 682 7,0 6,8 779 7,6 7,8 -Đá sét kết Bảng 5. Kết quả xác định hệ số kiên cố của đá sét kết mỏ Mạo Khê theo phương pháp của.Protodiakonov và.Baron Độ bền nén KG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén kG/cm2 Hệ số kiên cố theo Độ bền nén kG/cm2 Hệ số kiên cố theo fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov fb Baron fp Protodiakonov 135 2,6 1,4 174 3,0 1,7 257 3,7 2,6 169 2,9 1,7 300 4,2 3,0 418 5,1 4,2 132 2,5 1,3 378 4,7 3,8 454 5,4 4,5 234 3,6 2,3 464 5,4 4,6 222 3,4 2,2 207 3,3 2,1 530 6,0 5,3 273 3,9 2,7 486 5,6 4,9 378 4,8 3,8 493 5,7 4,9 153 2,8 1,5 467 5,5 4,7 391 4,9 3,9 183 3,1 1,8 369 4,7 3,7 308 4,2 3,1 IV. Một số nhận xét Từ kết quả thí nghiệm và các đồ thị biểu diễn quan hệ về hệ số kiên cố của các loại đá mỏ Mạo DO T HI BIE U DIE N QUAN HE VE HE SO KI EN CO CUA DA SET KE T - MO MAO KHE DUOC XAC DINH T HEO PHUONG PHAP CUA BARON VA PROT ODIAKONOV 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 0 200 400 600 Do ben nen ( KG/ cm2 ) He so kien co cua da set ket duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs.P rotodiakonov He so kien co cua da set ket duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs- Ts.Baron DO THI BIEU DIEN QUAN HE VE HE SO KIEN CO CUA DA SET KET - MO MAO KHE DUOC XAC DINH THEO PHUONG PHAP CUA BARON VA PROTODIAKONOV 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 0 100 200 300 400 500 600 Do ben nen ( KG/cm2 ) He so kien co ( f ) Hệ số kiên cố của đá sét kết được xác định theo phương pháp của Gs.Protodiakonov Hệ số kiên cố của đá sét kết được xác định theo phương pháp của Gs-Ts.Baron ( ( Khê được xác định theo phương pháp của Protodiakonov và Baron có thể đưa ra các nhận xét sau: 1. Đối với các loại đá mỏ có độ bền kháng nén cao (xác định độ bền kháng nén bằng phương pháp nén một trục) thì hệ số kiên cố (f) xác định theo phương pháp cua Baron thường nhỏ hơn so với các giá trị hệ số kiên cố xác định được bằng phương pháp của Protodiakonov từ 1,1 đến 1,3 lần 2. Đối với các đá mỏ có độ bền kháng nén thấp (xác định độ bền kháng nén theo phương pháp nén một trục) thì ngược lại, và đó hệ số kiên cố (f) xác định được theo phương pháp của Baron thường lớn hơn các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo phương pháp của Protodiakonov Các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo hai phương pháp sẽ trùng nhau khi có giá trị nằm trong khoảng giá trị f = 7 (thường tương đương với đá bột kết). Các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo phương pháp của Baron là phù hợp cho khối đá mỏ và có thể đại diện cho một khối đá cụ thể, đáp ứng được cho các hoạt động khai thác mỏ. Hiện nay ở Liên Bang Nga việc xác định hệ số kiên cố của đá mỏ theo phương pháp của Baron đã thay thế phương pháp của Protodiakonov và được áp dụng cho tất cả các mỏ khai thác than và khai thác các khoáng sản khác. Việc áp dụng phương pháp xác định hệ số kiên cố của LI.Baron đã đem lại hiệu quả lớn đối với công tác khoan nổ mìn, cũng như hợp lý hoá công tác tính định mức cho các hoạt động khai thác mỏ. Công nghiệp khai thác than là một ngành khai khoáng lớn nhất của Việt Nam, trong nhiều năm qua đã áp dụng rộng rãi phương pháp phân loại khối đá của Protodiakonov. Tính phổ cập của hệ số kiên cố ở chỗ nó được coi là một chỉ tiêu quan trọng trong công tác thiết kế, quy hoạch, nghiên cứu và các hoạt động khai thác mỏ. Hiện nay tất cả các mỏ khai thác than lộ thiên và hầm lò của TVN đều không ngừng nâng cao sản lượng khai thác hàng năm chẳng hạn như mỏ than Cao Sơn theo kế hoạch sẽ bố khoảng 24 triệu m3 đất đá trong năm 2005. Do vậy việc áp dụng phương pháp xác định hệ số kiên cố của Baron cho phù hợp với thực tế sản xuất và mang lại hiệu quả cao hơn trong hoạt động khai thác là việc làm rất cần thiết. Tài liệu tham khảo 1. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá và lập bản đồ nham thạch cho các mỏ khai thác than hầm lò và lộ thiên của TVN Viện Khoa học Công nghệ Mỏ 2004 2. Коэффициенты крепости горных пород Л.И.Барон издательство ôНаукаằ Москва 1972 3. Справочник открытые горные работы Москва ôГорных бюроằ 1994 4. Справочник по буровзрывным работам Под общей редакцией проф. Д-ра техн. Наук М.Ф. Друкованого Москва ôНедраằ 1976 . nay đã có rất nhiều phương pháp phân loại khối đá phục vụ công tác khai thác mỏ. Tuy nhiên trong điều kiện của Việt Nam (đặc biệt là ngành than), phương pháp xác định hệ số đá mỏ của Protodiakonov. cố của đá mỏ theo phương pháp của Baron đã thay thế phương pháp của Protodiakonov và được áp dụng cho tất cả các mỏ khai thác than và khai thác các khoáng sản khác. Việc áp dụng phương pháp xác. đá bột kết). Các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo phương pháp của Baron là phù hợp cho khối đá mỏ và có thể đại diện cho một khối đá cụ thể, đáp ứng được cho các hoạt động khai thác mỏ.