BÀI TIỂU LUẬN CƠ HỌC ĐÁ

Tính chất cơ học 1. khái niệm Các tính chất cơ học của đá và khối đá bao gồm mọi phản ứng (hay sự ứng phó, biểu hiện) của chúng khi chịu tác dụng của các trường cơ học (hay các tác động cơ học). Các tính chất cơ học thường được phân ra hai nhóm là các biểu hiện biến dạng và biểu hiện phá hủy, mặc dù các biểu hiện này chỉ là các dấu hiệu của một quá trình thống nhất và liên tục. Biểu hiện biến dạng phản ánh khả năng biến dạng, nghĩa là khả năng biến đổi hình dạng, kích thước của đá và khối đá trong trạng thái chịu tải nhất định. Điều đó có nghĩa là biểu hiện biến dạng được xác định bởi các mối quan hệ giữa các đại lượng: ứng suất, biến dạng, thời gian (trong nhiều trường hợp có kể đến cả nhiệt độ) cùng với các tham số đặc trưng cho các mối quan hệ đó. Mối quan hệ giữa các đại lượng ứng suất và biến dạng cũng còn được gọi là các định luật vật liệu, phương trình vật lý và thường được biểu diễn dưới dạng tổng quát:

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

 BÀI TIỂU LUẬN

Môn : Cơ Học Đá

ĐỘ BỀN CƠ HỌC ĐÁ VÀ VAI TRÒ CỦA CƠ HỌC ĐÁ TRONG

LĨNH VỰC KHAI THÁC MỎ

Giáo viên giảng dạy : Ts Trần Tuấn Minh

Sinh viên : Phạm Văn Quyết

MSSV : 1421040228

Lớp: Khai thác C , K59

Phần mở đầu

Khái niệm

Đá :Trong cơ học đá, đá được hiểu là mẫu đá, cục đá hoặc phần đá rắn

cứng được bao quanh bởi các mặt phân cách (khối nứt) trong khối

đá Vì vậy, đá còn được hiểu với nghĩa hẹp là đá liền khối hay đá nguyên vẹn Kích thước của chúng thường chất cơ học của không

quá 50 cm Các tính chất của chúng được nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Tính chất cơ học

1 khái niệm

Các tính chất cơ học của đá và khối đá bao gồm mọi phản ứng (hay sự ứng phó, biểu hiện) của chúng khi chịu tác dụng của các trường cơ học (hay các tác động cơ học) Các tính chất cơ học thường được phân ra hai nhóm là các biểu hiện biến dạng và biểu hiện phá hủy, mặc dù các biểu hiện này chỉ là các dấu hiệu của một quá trình thống nhất và liên tục

Biểu hiện biến dạng phản ánh khả năng biến dạng, nghĩa là khả năng biến đổi hình dạng, kích thước của đá và khối đá trong trạng thái chịu tải nhất định Điều đó có nghĩa là biểu hiện biến dạng được xác định bởi các mối quan hệ giữa các đại lượng: ứng suất, biến dạng, thời gian (trong nhiều trường hợp có kể đến cả nhiệt độ) cùng với các tham

số đặc trưng cho các mối quan hệ đó Mối quan hệ giữa các đại lượng ứng suất và biến dạng cũng còn được gọi là các định luật vật liệu,

phương trình vật lý và thường được biểu diễn dưới dạng tổng quát:

F(σ,σ. ,ε,ε. ,t,T) = 0 (*)

Trong đó:

σ - ứng suất;

σ. -Tốc độ thay đổi ứng suất;

ε - Biến dạng tỷ đối;

ε - Tốc độ của biến dạng tỷ đối;

t - Thời gian;

T - Nhiệt độ;

Các hệ số xuất hiện trong biểu thức (*) là các tham số có ý nghĩa cơ học nhất định do đó được gọi là các tham số cơ học hay chỉ tiêu

cơ học

Biểu hiện phá hủy phản ánh khả năng chịu tải hay khả năng mang tải còn gọi là độ bền cũng như các dạng phá hủy của đá, khối đá khi có tác dụng của ngoại lực Như vậy độ bền của chúng được đặc trưng bởi các đại lượng ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn hoặc qua các trạng thái ứng suất giới hạn và trạng thái biến dạng giới hạn Các giá trị giới hạn đó thông thường biểu thị ranh giới chuyển tiếp từ trạng thái

cơ học này sang trạng thái cơ học khác, chẳng hạn từ trạng thái ổn định sang trạng thái phá hủy toàn phần, từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo Tùy theo biểu hiện về khả năng mang tải của vật thể, có thể mô phỏng trạng thái giới hạn bởi các phương trình ở dạng tổng quát sau:

S(σ1*,σ2*,σ3*) = 0 D(ε1*,ε2*,ε3*) = 0 Q(σ1*,σ2*,σ3*,ε1*,ε2*,ε3*) = 0

Trong đó: σ*,ε* - ứng suất và biến dạng ở trạng thái giới hạn

Các tính chất cơ học của đá và khối đá được nghiên cứu bằng phương pháp thí nghiệm trong phòng thí ngiệm và thí nghiệm tại hiện trường nhằm xác định các quy luật và cùng với các tham số cơ học đặc trưng cho các quy luật đó Các phương pháp thí nghiệm đơn giản và thông dụng trong phòng thí nghiệm là cắt, uốn, kéo, nén đơn trục hay hai, ba trục, với:

+Tốc độ tăng tải không đổi

+Tải trọng không đổi

+Tốc độ biến dạng không đổi

Các thí nghiệm tại hiện trường để xác định các tham số cơ học của khối đá thông thường là: nén, kéo, cắt trên mẫu khối đá, nén tấm, nén trong lỗ khoan hay đường hầm

Nói chung các biểu hiện biến dạng và phá hủy của đá cũng như khối đá rất đa dạng và phức tạp, chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố khác nhau

2 Các dạng phá hủy

1 Quá trình phá huỷ của đá

Dưới tác dụng của ngoại lực đá bị biến dạng, tốc độ tăng tải của tải trọng càng nhanh tốc độ biến dạng càng lớn Lúc đầu là quá trình biến dạng đàn hồi sau đó là biến dạng không đàn hồi (biến dạng dẻo, biến dạng nhớt) thế năng tích lũy trong đá tăng dần dưới dạng biến dạng đến khi đạt tới giá trị cực đại được chuyển hóa thành động năng, khi đó năng lượng liên kết được giải thoát và đá bị phá hủy

2 Các dạng phá huỷ

Từ các kết quả nghiên cứu, thí nghiệm, trước hết có thể phân biệt ba cơ chế phá hủy cơ bản của đá là: phá hủy tách; phá hủy cắt/trượt; phá hủy cấu trúc hay phá vỡ cấu trúc

Phá hủy tách là cơ chế phá hủy thường xảy ra khi kéo đơn trục,

kéo tách, nén đơn trục hoặc nén ba trục nhưng với áp lực ngang nhỏ Dưới tác dụng của ứng suất, do sự tồn tại đặc điểm không đồng nhất trong đá (có chỗ cứng, có chỗ mềm), nên hình thành ứng suất kéo cục

Hình 2 Các cơ chế phá huỷ a) Phá huỷ tách b) Phá huỷ cắt c) Phá huỷ cấu trúc

bộ, dẫn dến các vết nứt vi mô Tiếp tục tăng tải, các vết nứt liên thông với nhau hay nối lại với nhau tạo ra các cột đá bị nén gẫy hoặc bi đẩy trượt ra

Phá hủy cắt thường xuất hiện khi đá chịu tác dụng của trạng

thái ứng suất đa trục Góc phá hủy phụ thuộc vào góc ma sát trong của

đá và các điều kiện biên

Phá hủy cấu trúc thường hình thành trong điều kiện áp lực đều và

lớn từ mọi phía Trong trường hợp này không hình thành các mặt phá hủy xác định, phá hủy xảy ra là phá hủy cấu trúc bên trong hay cấu trúc hạt của đá

Phân tích biểu hiện phá hủy liên quan với các biểu hiện biến dạng của mẫu thí nghiệm có thể phân biệt ba dạng biểu hiện phá hủy là: phá hủy dòn; phá hủy dẻo và phá hủy dòn - dẻo

Hình 2.1 Các biểu hiện phá huỷ trên mẫu đá hoa khi nén ba trục

a) Dòn b) Dòn – dẻo

Biểu hiện phá hủy dòn thường quan sát được ở các loại đá có tính biến

dạng đàn hồi, cũng có thể quan sát thấy ở các loại đá có tính biến dạng không đàn hồi khi tốc độ tăng tải đủ lớn Trong trường hợp này, tại thời điểm bị phá hủy, biến dạng tỷ đối ε khá nhỏ, công cơ học tích lũy trong mẫu đá dưới dạng thế năng đàn hồi được giải phóng khi mẫu thí nghiệm

bị phá hủy gây ra tiếng nổ nhẹ

Phá hủy dòn - dẻo thường thấy ở các loại đá có tính chất biến dạng đàn

hồi - dẻo hoặc dẻo - đàn hồi - dẻo khi tốc độ tăng tải không quá lớn Trong mẫu thí nghiệm xuất hiện thành phần biến dạng dẻo cùng với biến dạng đàn hồi Tại thời điểm mẫu bị phá hủy, trong mẫu xuất hiện các khe nứt, biến dạng dẻo thể hiện qua hiện tượng trượt dọc theo các khe nứt này

Phá hủy dẻo xuất hiện ở các loại đá có tính chất biến dạng chảy dẻo

hoặc chảy nhớt ở các loại đá này, quá trình chất tải thường làm thay đổi các tính chất cơ học cũng như vật lý của đá Biến dạng theo phương tác dụng của lực (biến dạng dọc) và theo phương vuông góc với lực tác dụng (biến dạng ngang) thường khá lớn, hệ số biến dạng ngang thường xấp xỉ hoặc bằng 0,5 Ngoài ra, thực nghiệm cho thấy trong trạng thái nén nhiều trục, khi các thành phần ứng suất đủ lớn, đá có thể chuyển từ biến dạng dòn sang biến dạng dẻo và bị phá hủy dẻo hay nói cách khác

là chuyển từ trạng thái ổn định, biến dạng tỉ lệ sang trạng thái dẻo

Bảng 2 Phân nhóm theo độ dòn/dẻo

σN*/σK* Nhóm biểu hiện phá hủy

10 ÷ 5 Dai (dẻo)

<5 Rất dai (rất dẻo)

2.2 Các loại độ bền

Độ bền của đá được đặc trưng bởi giới hạn của tải trọng tác dụng mà tại đó đá bị phá hủy

Độ bền của đá được xác định bằng cách thí nghiệm các mẫu

đá theo quy chuẩn hoặc không theo quy chuẩn trên các thiết bị Các mẫu được lấy từ hiện trường có tính chất đặc trưng cho từng loại đá nhất định

Khi lấy mẫu cần lưu ý mô tả vị trí và cấu trúc của khối đá xung quanh, cần phải bảo quản và giữ nguyên được tính chất của mẫu đá giống như ngoài hiện trường Kích thước của mẫu phải đảm bảo:

dmẫu≥30φ

Trong đó: φ- Kích thước trung bình của hạt khoáng vật kết tinh

1 Độ bền nén

Độ bền nén (cường độ kháng nén) là trị số giới hạn của ứng suất nén một trục mà tại đó đá bị nén vỡ

Để xác định độ bền nén, người ta sử dụng máy nén Thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu chuẩn Mẫu chuẩn có thể là mẫu hình trụ hoặc mẫu lập phương Mẫu lập phương có kích thước mỗi cạnh là 42±3 mm; mẫu hình trụ có chiều cao bằng đường kính mẫu và bằng 42±3 mm Mẫu được gia công với độ chính xác nhất định: độ lồi lõm bề mặt không được quá 0,03 mm và sai lệch về độ song song giữa hai mặt đáy không được quá 0,05 mm Thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện chất tải cưỡng bức với tốc độ tăng tải từ 0,5 đến 1 MPa/s Khi tải trọng đạt Pmaxn ,

đá bị nén vỡ thì độ bền nén được xác định theo công thức:

2

max

*

.

4

d

Pn N

π

Trong đó:

n

Pmax - Tải trọng gây phá huỷ mẫu ;

d - Đường kính mẫu hình trụ ;

Hình 2 : Máy nén 3 trục

Hình 1 :Máy nén đơn trục

Để xác định độ bền nén của một loại đá, người ta tiến hành thí nghiệm nhiều lần và kết quả được lấy bằng giá trị trung bình của các lần thí nghiệm

Ngoài ra, để xác định độ bền nén, người ta còn sử dụng nhiều phương pháp như sử dụng máy siêu âm, búa nẩy Schmidt

2 Độ bền kéo

• kéo đơn trụ hay một trục

• kéo qua uốn

• kéo qua thí nghiệm ba trục

• kéo tách hay nén tách

Độ bền kéo (cường độ kháng kéo) là trị số giới hạn của ứng suất kéo một trục mà tại đó đá bị kéo đứt

độ bền kéo được xác định trên các mẫu tương tự như mẫu của thí nghiệm nén Có thể xác định độ bền kéo theo một trong hai phương pháp:

• Kéo trực tiếp

Hình 2.1 Xác định độ bền kéo bằng phương pháp kéo trực tiếp

2

max

*

.

4

d

Pk K

π

σ =

Xác định gián tiếp (phương pháp gần đúng): nén mẫu đá hình trụ theo đường sinh của mẫu

h d

Pn K

.

2 max

*

π

σ =

Trong đó: h – Chiều cao của mẫu

3 Độ bền uốn

Độ bền uốn (cường độ kháng uốn) là trị số giới hạn của ứng suất uốn mà tại đó đá bị uốn gẫy

Mẫu thí nghiệm dạng thanh có chiều dài l = 120 ÷ 200 mm, kích thước mặt cắt ngang b = 15 ÷ 20 mm, h = 10 ÷ 15 mm đặt trên hai gối tựa cách nhau một khoảng l1 Đặt tải trọng P ở giữa thanh đá Tăng P đến Hình 2.2

giá trị Pu thì đá bị gẫy Khi đó độ bền uốn được xác định theo công thức:

2

*

.

5 , 1

h b

l P W

U = =

σ

Sơ đồ thí nghiệm chống uốn đá tổng quát

4 Độ bền cắt

Độ bền cắt (cường độ kháng cắt) là trị số giới hạn của ứng suất cắt

mà tại đó đá bị cắt đứt

Xác định độ bền cắt bằng thí nghiệm trên máy nén Mẫu đá thí nghiệm (tương tự như mẫu để xác định độ bền nén, kéo) được đặt vào

Hình 2 Thí nghiệm xác định độ bền uốn

khuôn cắt gồm hai mảnh đặt ngược chiều nhau Mẫu trong các đợt thí nghiệm được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang một góc α bằng

300, 450, 600 và đặt vào máy nén Khi tải trọng đạt Pmaxn , mẫu bị phá huỷ

thì độ bền cắt được xác định: τ sin α

.

max

*

h d

Pn

Các kết quả cho thấy quy luật chung là: σK* < σU* < τC* < σ*N

Như vậy khả năng chịu kéo của các loại đá nói chung yếu hơn khả năng khả năng chịu nén Đặc điểm này rất cần được chú ý trong công tác phá

vỡ đá (gây ra tác động dẫn đến phá hủy) cũng như khi lựa chọn hình dạng công trình ngầm xây dựng trong khối đá (tránh gây ra ứng suất kéo trong khối đá)

3 Vai trò cơ học của việc xác định độ bền cơ học của đá

Tính chất cơ học của đá ảnh hưởng đến quá trình công nghệ và chống giữ khi thi công các đường lò trong lòng đất Sự hình thành các trầm tích

là nguyên nhân tạo nên các tính chất cơ học của đá khác nhau khi tác động vào chúng theo các hướng khác nhau Quá trình trầm tích là quá trình thành tạo lớp theo kích thước các cỡ hạt như: hạt mịn, hạt trung, hạt thô tương ứng với các loại như: than, sét, bột, cát, sạn cuội kết Sự thành tạo các lớp không những chỉ theo khối lớn, mà ngay trong cùng một loại đá cũng có sự khác nhau, không những về cấu tạo hạt mà còn

Hình Thiết bị dùng để thí nghiệm cắt đá 1- Bộ ngàm cắt ; 2- Khuôn cắt ; 3- Bộ nêm

góc 4- Tấm đệm ; 5- Dàn con lăn ; 6- Mẫu đá

α

4 P 5

1 2 6 1 3

3 4 5 4

khác biệt về tính chất cơ học mà đặc trưng nhất là độ bền nén dọc trục Khi nén một mẫu đá theo hướng vuông góc với lớp và dọc theo lớp đá cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa độ bền nén vuông góc luôn lớn hơn so với dọc theo lớp Ngoài ra, với cùng một loại đá, nhưng tại mỗi vị trí khác nhau (độ sâu, hay ở gần các phay, uốn nếp, khô hay ngập nước v.v…) đều thể hiện độ bền khác nhau

Quá trình đào lò là quá trình tác động cơ học (khoan, nổ hay cắt) để phá vỡ đá Quá trình phá đá có thể góp phần giữ cho đá xung quanh đường lò không bị giảm đáng kể mức độ ổn định hay tác động mạnh làm cho khối đá bị nứt nẻ do công nghệ làm mất ổn định

Trong quá trình thiết kế, thi công đường lò mỏ, một số đặc tính về độ bền về cấu trúc đá được quan tâm đó là độ bền nén dọc trục, môđun đàn hồi hay sự nứt nẻ, phân lớp, góc dốc của lớp đá…

Một số ứng dụng khác cho việc xác định độ bền của đất đá trong thực

tế là nó được ứng dụng để lựa chọn, sơ bộ tính toán các loại hình,

phương pháp chống giữ ổn định trong các công trình ngầm và ổn định trong các bờ dốc đá khác nhau

Hình 3 Kết cấu chống giữ các đường hầm

Việc xác đinh độ bền cơ học của đá còn giúp cho chúng ta có thể nhận biết được nhưng nơi nào cần chống giữ , nơi nào không Nhận biết được những nguy hiểm trong khai phá và khai thác khoáng sản ở các khu mỏ

* * *

Tài liệu tham khảo:

• Giáo trình Cơ học đá và khối đá( TS Trần Tuấn Minh)

• Cơ học đá( GS.TS Nguyễn Quang Phích)

• Cơ học đá ( Võ Trọng Phùng )

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN !