BÀI TIỂU LUẬN: Phân loại khối đá

Phân loại khối đá là một điều cần thiết cho những người làm việc trong lĩnh vực khai thác mỏ và xây dựng công trình ngầm cũng như các ngành ký thuật khác. Quá trình phân loại khối đá có tác dụng lớn đến quá trình thiết kế các đường hầm, đặc biệt là để xác định kết cấu chống giữ cũng như quá trình lựa chọn phương án khai đào cho phù hợp. Hiện nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật nên càng ngày càng có nhiều phương pháp phân loại khối đá khác nhau. Dưới đây giới thiệu một số phương pháp phân loại khối đá thường được dùng trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ. 1.TỔNG QUAN Trong cơ học đá, hai yếu tố được sử dụng nhiều liên quan đến “sự miêu tả” các đặc tính của khối đá là sự phân loại và mô tả đặc điểm của khối đá. Trong thực tế hai yếu tố này không có sự khác nhau nhiều. Mô tả khối đá là nhấn mạnh tới các yếu tố chỉ màu sắc, hình dạng, trọng lượng, các đặc điểm của khối đá, phân loại khối đá là sự kết hợp các đặc trưng khác của khối đá trong các nhóm khác nhau, phân loại khối đá là tiến hành phân các khối đá thành các nhóm theo những biểu hiện nhất định, theo những chỉ tiêu hay tiêu chuẩn xác định. Phân loại khối đá được phát triển với mục đích phục vụ công tác thiết kế xây dựng công trình ngầm, cụ thể được sử dụng để đánh giá, nhận định về trạng thái khối đá tại hiện trường, để lựa chọn và bố trí các giải pháp bảo vệ, chống giữ và thi công. Phân loại khối đá cũng còn được sử dụng để phục vụ công tác lập dự toán và quyết toán công trình. Các phương pháp phân loại khối đá hầu hết dựa theo kinh nghiệm, hoặc kết hợp các kinh nghiệm định lượng thực tế với các kết quả phân tích theo lý thuyết. Từ đó ta rút ra được mục đích lớn nhất của việc phân loại khối đá đó là: Lựa chọn sơ bộ phương pháp khai đào cho công trình ngầm Lựa chọn sơ bộ biện pháp và kết cấu chống giữ cho công trình ngầm sau khai đào

BÀI TIỂU LUẬN SỐ 3 LỜI NÓI ĐẦU

Phân loại khối đá là một điều cần thiết cho những người làm việc trong lĩnh vực khai thác

mỏ và xây dựng công trình ngầm cũng như các ngành ký thuật khác Quá trình phân loại khối đá có tác dụng lớn đến quá trình thiết kế các đường hầm, đặc biệt là để xác định kết cấu chống giữ cũng như quá trình lựa chọn phương án khai đào cho phù hợp Hiện nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật nên càng ngày càng có nhiều phương pháp phân loại khối

đá khác nhau Dưới đây giới thiệu một số phương pháp phân loại khối đá thường được dùng trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ

1.TỔNG QUAN

Trong cơ học đá, hai yếu tố được sử dụng nhiều liên quan đến “sự miêu tả” các đặc tính của khối đá là sự phân loại và mô tả đặc điểm của khối đá Trong thực tế hai yếu tố này không

có sự khác nhau nhiều Mô tả khối đá là nhấn mạnh tới các yếu tố chỉ màu sắc, hình dạng, trọng lượng, các đặc điểm của khối đá, phân loại khối đá là sự kết hợp các đặc trưng khác của khối đá trong các nhóm khác nhau, phân loại khối đá là tiến hành phân các khối đá thành các nhóm theo những biểu hiện nhất định, theo những chỉ tiêu hay tiêu chuẩn xác định Phân loại khối đá được phát triển với mục đích phục vụ công tác thiết kế xây dựng công trình ngầm, cụ thể được sử dụng để đánh giá, nhận định về trạng thái khối đá tại hiện trường, để lựa chọn và bố trí các giải pháp bảo vệ, chống giữ và thi công Phân loại khối đá cũng còn được sử dụng để phục vụ công tác lập dự toán và quyết toán công trình Các phương pháp phân loại khối đá hầu hết dựa theo kinh nghiệm, hoặc kết hợp các kinh nghiệm định lượng thực tế với các kết quả phân tích theo lý thuyết Từ đó ta rút ra được mục đích lớn nhất của việc phân loại khối đá đó là:

- Lựa chọn sơ bộ phương pháp khai đào cho công trình ngầm

- Lựa chọn sơ bộ biện pháp và kết cấu chống giữ cho công trình ngầm sau khai đào

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ

Phân loại khối đá là một điều cần thiết cho những người làm việc trong lĩnh vực khai thác

mỏ và xây dựng công trình ngầm cũng như các ngành ký thuật khác Quá trình phân loại khối đá có tác dụng lớn đến quá trình thiết kế các đường hầm, đặc biệt là để xác định kết cấu chống giữ cũng như quá trình lựa chọn phương án khai đào cho phù hợp Sơ đồ phân loại tổng quan các phương pháp phân loại khối đá trong lĩnh vực địa kỹ thuật mô tả như trong bảng dưới đây

2.1 PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ THEO DEER (RQD)

Chu trình cho việc xác định giá trị trực tiếp RQD được thể hiện trong hình 1.1 Chu trình này

đề cập tới giá trị chiều dài lỗ khoan Các lõi khoan bị gẫy vỡ là do chu trình khoan được thích hợp cùng nhau và được đếm như một mẫu Khi có sự không chắc chắn về lý do gẫy vỡ được thực hiện bằng công tác khoan hay điều kiện tự nhiên, nó sẽ được xem như là nguyên nhân tự nhiên cốt để xem xét cẩn trọng quá trình xác định giá trị RQD (Deere, 1968), điều kiện cần thiết để tính toán RQD là chiều dài các lõi khoan thu hồi phải lớn hơn 100mm

Hình 1.1 Mô tả chu trình và tính toán thiết kế chất lượng khối đá RQD (Deere 1998)

Từ cách phân loại khối đá của Deere ta có bảng 1.1 Đánh giá chất lượng khối đá như sau

Bảng 1.1 mối liên hệ giữa giá trị RQD và chất lượng khối đá (Deere 1968)

2.1.1.Phương pháp gián tiếp (không thu hồi lõi khoan có giá trị)

Trong trường hợp không thể xác định trực tiếp RQD, thì giá trị RQD có thể được xác định thông qua các công thức gián tiếp Việc xác định giá trị của RQD đã được đề xuất vào năm

1973 với việc sử dụng công thức (Afrouz, 1973 cit Afrouz, 1992) theo biểu thức sau:

(1.1)

Ở đây: – tổng số mặt phân cách nứt nẻ trong một khối đá Các bề mặt phân cách nứt nẻ không vuông góc với phương của ứng suất chính lớn nhất Các hằng số A,B,x,y có quan hệ với các hệ số Gía trị của và

Vào năm 1976, Priest và Hudson đã tìm ra việc xác định giá trị RQD từ khoảng cách giữa các khe nứt (λ các khe nứt/mét) bằng việc sử dụng công thức:

(1.2) Công thức trên có thể là cách thức đơn giản nhất để xác định giá trị RQD, khi không có các lõi khoan thu hồi

RQD cũng có thể được xác định từ số lượng các khe nứt/một đơn vị thể tích của bề mặt khối đá Palmstrom(1982) đã giới thiệu mối quan hệ RQD cho một khối đá không chứa sét dọc theo một đường hầm như biểu thức sau:

(1.3) Trong đó: – mật độ khe nứt tính theo 1 khối đá

Trong trường hợp không xác định được RQD từ các lỗ khoan thăm dò hoặc lấy mẫu thì có thể tính RQD gián tiếp bằng công thức thực nghiệm (1.3)

Hoặc théo công thức Priest (1976), RQD có thể được tính toán theo công thức sau:

(0,1 (1.4)

Trong đó: – mật độ khe nứt và bằng số khe nứt/một mét dài khảo sát.

Palmstrom (1996) đã đề xuất một phương pháp để thu được thông tin tốt hơn từ bề mặt để thay thế cho các lõi khoan, thông qua giá trị RQD phụ thuộc vào hướng của lỗ khoan khảo sát Nguyên tắc của nó là dựa trên giá trị của góc nghiêng giữa mỗi khe nứt và bề mặt hay lỗ khoan Mật độ của khe nứt (Wjd) có thể được xác định theo biểu thức sau:

Wjd

Và với các giá trị dọc theo lõi khoan hay có thể theo đường thẳng:

Wjd

Ở đây: – góc giao cắt, góc giữa bề mặt quan sát được hay lỗ khoan và khe nứt riêng rẽ;

A - kích thước vùng diện tích được quan sát tính bằng ;

L – chiều dài của mặt cắt dọc theo lõi khoan hay đường thẳng, xem hình 1.2

Hình 1.2 a) Mặt giao cắt giữa các khe nứt và lỗ khoan;

b) Mặt giao cắt giữa các khe nứt và bề mặt (palmstrom, 1995).

2.1.2 Hạn chế của RQD và ưu điểm

Theo thống kê của Merritt (1972) hệ thống phân loại RQD có những hạn chế trong một số khu vực mà các khe nứt chứa chất lấp nhét dạng sét Các chất lấp nhét dạng sét làm giảm ma sát của khe nứt cho nên mặc dù RQD cao nhưng thực tế khối đá không ổn định

Gía trị RQD không phụ thuộc vào kích thước đường hầm Có một sự khác biệt lớn giữa kích thước đường hầm nhỏ, hẹp được so sánh với các gian hầm chứa nước lớn với các công trình

ngầm có khẩu độ rộng thì giá trị RQD có tính phù hợp hơn so với các đường hầm có kích thước nhỏ

RQD cũng là một tham số không tốt trong khối đá có khoảng cách các khe nứt nhỏ gần 100mm Nếu khoảng cách giữa các khe nứt liên tục là 105mm (chiều dài lõi khoan), giá trị RQD sẽ là 100% Nếu khoảng cách giữa các khe nứt liên tục là 95mm, giá trị RQD sẽ là 0% Nếu tham số (theo palmstrom 1982) được sử dụng, giá trị của nó sẽ chỉ đúng khi 10 khe nứt/mét (Helgestsdt 1997) RQD liên quan tới tính không linh động trong kích thước khối nguyên (Milne 1991) Như được đề cập đến bởi (Milne 1991) một khối đá với giá trị RQD xác định là 100% có thể có 3 hệ khe nứt với khoảng cách trung bình là 0,4m hay một hệ khe nứt với khoảng cách tới vài mét

Gía trị của RQD có thể bị thay đổi nhiều phụ thuộc vào phương của lỗ khoan khảo sát quan

hệ với cấu trúc địa chất Hoek(1993)

• Ưu điểm: Phương pháp này thực hiện đơn giản, và nhanh chóng cho ra kết quả

2.1.3 Phạm vi sử dụng

Ưu điểm của phương pháp này là dễ xác định nên được áp dụng cho các đường lò trong mỏ 2.2 PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ THEO BIENAWSKI (RMR)

Chỉ số của hệ thống được dựa trên các kinh nghiệm của Biennawski đối với các đường hầm nằm nông gần mặt đất trong các lớp đất đá trầm tích Về nguồn gốc, hệ thống RMR được phát triển từ 49 trường hợp khai đào và lịch sử không được công bố Sau đó sự phân loại đã trải qua một vi sự thay đổi từ 8 tham số xuống 6 vào năm 1975

Theo thông kê của biennawski (1989) giá trị RMR đã được áp dụng ở hơn 28 dự án trong lịch sử như trong khi khai đào các đường hầm, các gian hầm, các mỏ, các bờ dốc, các nền móng và các gian hầm lớn

Phân loại khối đá theo RMR của biennawski có chú ý đến 6 điểm khác nhau trong khối đá

và được xác định bằng công thức thực hiện sau:

(1.5) Trong đó:

- tham số xét độ bền nén đơn trục của khối đá

- tham số thể hiện lượng thu hồi lõi khoan RQD

- tham số thể hiện khoảng cách giữa các khe nứt

- tham số thể hiện trạng thái xủa các khe nứt

- tham số thể hiện điều kiện ngậm nước của đá

- tham số thể hiện mối tương quan giữa thế nằm và hướng của đá

Các tham số và RMR cũng như phân loại đá theo biennawski được thể hiện trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Đặc trưng của 6 tham số điểm theo biennawski

Bảng 1.3 Hướng dẫn cho việc đào hầm và kết cấu chống giữ trong đá chiều rộng

10m với hệ thống phân loại RMR (biennawski 1989)

2.2.1 Ưu điểm và nhược điểm

• Ưu điểm: Phương pháp phân loại khối đá của biennawski có xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố bằng cách cho điểm các yếu tố đó, nhờ đánh giá với nhiều yếu tố để phân loại khối đá nên phương pháp này cho kết quả chính xác và gần thực tến hơn phương pháp của Deere

• Nhược điểm: chi phí cho phương pháp đánh giá, phân loại này lớn, tốn kém về cả mặt thời gian Khó xác định được các chỉ số

2.2.2 Phạp vi áp dụng

Phương pháp phân loại khối đá của RMR thường được áp dụng cho các công trình có vốn đầu tư ban đầu lớn, tuổi thọ cao như các công trình ngầm giao thông, thủy lợi, thủy điện, các công trình ngầm thi công theo phương pháp NATM Phương pháp này ít được

sử dụng trong ngành mỏ vì tốn kém thời gian và chi phí

2.3.HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ Q

Barton và các cộng sự đã giới thiệu chỉ số chất lượng khối đá khi thi công các đường hầm vào năm 1974 Phương pháp phân loại này được kết hợp với sự đề xuất kết cấu chống giữ trên cơ sở sự phân tích của 212 bản ghi chép các trường hợp thi công các đường hầm cụ thể Hệ thống này được gọi là chất lượng khối đá hay chỉ số chất lượng thi công đường hầm đầu tiên được phát triển ở NA UY, được gọi là sự phân loại NGI

Hệ thống Q ban đầu (Barton 1974) sử dụng 6 tham số sau:

- Số lượng các khe nứt

- Độ nhám của khe nứt

- Sự phân bố của khe nứt

- Các điều kiện nước trong khe nứt

- Hệ số ứng suất

Các hệ số địa kỹ thuật cơ bản được giới thiệu bởi các tỉ số sau (Barton 2002):

- Quan hệ kích thước khối: RQD/

- Quan hệ độ bền ma sát:

- Tác động ứng suất: SRF

Chất lượng khối đá được định nghĩa là (Barton 1974)

Q

Ở đây:

RQD – chỉ số RQD của Deere 10 (Deere 1968);

– số lượng khe nứt

– giá trị thể hiện độ nhám của khe nứt

– giá trị thể hiện sự biến đổi của khe nứt

– hệ số có xét đến sự giảm áp lực do nước trong khe nứt

SRF – hệ số giảm ứng suất với phay phá, độ bền/tỉ số ứng suất trong các khối đá cứng liền khối, và khối đá bị nén ép và dãn nở

Sử dụng hệ thống phân loại Q được giới thiệu đơn giản cho các đường hầm và gian hầm với vòm nóc khối đá được phân ra làm 9 hạng dựa trên cơ sở của giá trị Q (quan sát trong bảng 1.4.)

Bảng 1.4 Sự phân loại khối đá trên cơ sở của giá trị Q (Barton 1974)

Mối quan hệ giữa chỉ số chất lượng đường hầm (Q) với biểu hiện và các yêu cầu chống giữ khai đào công trình ngầm một thành phần được gọi là kích thước tương đương () Bằng việc chia khoảng cách , đường kính hay chiều cao tường của công trình ngầm bằng tỉ số của kết cấu chống giữa (ESR) tương đương được xác định là:

ESR được định nghĩa từ các điều tra của mối quan hệ giữa khoảng cách giá trị lớn nhất không chống giữ (khẩu lộ) và Q xung quanh công trình khai đào tiêu chuẩn với hơn 10 năm Mối quan hệ đó được đinh nghĩa:

Khẩu độ Barton 1976 đã đưa ra giá trị đề nghị ESR theo thống kê trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Các giá trị ESR với các công trình khai đào khác nhau

Hệ thống Q đã được hiệu chỉnh cốt để thay đổi hệ số giảm ứng suất ( Grimstad và Barton 1993) và cũng để đưa ra các phương pháp chống giữ mới bằng bê tông phun sợi thép [S(fr)]

và hệ thống neo (B) Grimstad và Barton đã giới thiệu bảng đồ thị kết cấu chống Q mới cho các phương pháp chống giữ mới, xem hình 1.3

Hình 1.3 Xác định kết cấu chống dựa trên chỉ số chất lượng đường hầm Q (Grimstad và

Barton 1993)

Trong hình 1.3., giá trị của và giá trị của Q là 4,5 thay thế trong hạng gia cường (4) với yêu cầu một mạng neo (khoảng cách neo là 2,3m) và bêtông phun dầy 50mm

Theo Loset 1992 đã đề xuất, với khối đá có giá trị 4, sự nguy hiểm do khoan nổ mìn sẽ làm xuất hiện các vết nứt mới cùng với đó là sự giá trị của Q cho khối đá xung quanh công trình ngầm khai đào

Gía trị RQD đối với các hầm trạm sẽ giảm đi 50% cho khối đá xung quanh hầm trạm, kết quả Q Từ hình 1.3 thì , tương ứng với sự hiệu chỉnh giá trị hạng gia cường (5) với yêu cầu cần thiết là neo, với khoảng cách thích hợp là 2m, và một lớp bêtông phun sợi thép gia cường dầy 50mm

Barton 1980 cung cấp thêm chiều dài neo

Chiều dài L của các neo có thể được xác định từ kích thước chiều rộng công trình ngầm B và các tỉ số kết cấu chống giữ công trình ESR

(1.6) Khoảng cách không chống lớn nhất có thể được xác định theo công thức:

Khoảng cách khung chống max (1.7) Trên cơ sở phân tích của các bản ghi chép, Grimstad và Barton 1993 đề nghị rằng mối quan

hệ giữa Q và áp lực chống giữ nóc tạm thời có thể được xác định theo công thức sau:

(1.8) Gía trị của Q mới được hiệu chỉnh đưa ra vào 2002 bới Barton có chú ý đến việc áp dụng hệ thống Q vào các đặc tính nghiên cứu và giả thiết kế đường hầm Barton đã miêu tả giá trị Q hiệu chỉnh với tốc độ sóng P() là:

Ở đây:

là một giá trị thông thường của Q, sử dụng 100MPa và một loại đá cứng tiêu chuẩn

Hệ thống Q cũng có thể được sử dụng để xác định độ bền nén của khối đá:

Ở đây: – trọng lượng thể tích của đá tính bằng t/ Với trường hợp đá bị nứt nẻ và không liên túc:

Ở đây: được xác định từ giá trị RQ thay thế của giá trị RQD trong tính toán Q ban đầu

RQ là giá trị RQD có quan hệ với hướng trong khi thi công đường hầm

2.3.1 MỐI QUAN HỆ GIỮA HỆ THỐNG RMR VÀ HỆ THỐNG Q

Dựa trên các trường hợp nghiên cứu, biennawski (1976) là tác giả đầu tiên đề xuất sự hiệu chỉnh giữa hệ thống RMR và hệ thống Q:

RMR Vào năm 1978, Rutledge và Preston cũng công bố một mối quan hệ khác

, MORENO(1980) RMR

RMR 2.3.2 PHẠM VI SỬ DỤNG

HỆ thống phân loại chất lượng khối đá Q được dùng để đánh giá khối đá, lựa chọn sơ bộ kết cấu cũng như biện pháp khai đào cho các công trình giao thông, thủy điện…

2.4 CHỈ SỐ KHỐI ĐÁ MỎ

Hệ thống MRMR đưa ra tính toán các tham số tương tự như giá trị RMR cơ bản MRMR được xác định bằng chỉ số độ bền khối đá nguyên khối, RQD, khoảng cách các khe nứt và điều kiện khe nứt, các giá trị MRMR, bao gồm các khối đá bị nứt nẻ từ rất yếu đến rất tố,chỉ

số của hệ thống được chia ra làm 5 loại và 10 lớp khác nhau

Laubscher (1984) đã giới thiệu mối quan hệ giữa MRMR và độ bền khối đá nguyên khối nghiên cứu là:

Phân loại MRMR cũng để ý đến phương của khe nứt, ảnh hưởng của nổ mìn và phong hóa, tới việc xác định độ bền thiết kế khối đá (DRMS), giống như RMR, kết cấu chống giữ cần thiết cũng được đề nghị với giá trị MRMR tương ứng

2.4.1 PHẠM VI ÁP DỤNG

Chỉ số khối đá mỏ MRMR được phát triển cho việc áp dụng khai thác mỏ

2.5 SỰ PHÂN LOẠI CỦA RAMAMURTHY VÀ ARORA

RAMAMURTHY và ARORA đã đề xuất một hệ thống phân loại với khối đá nguyên khối và nứt nẻ trên cơ sở các độ bền nén của chúng và các giá trị mô đun đàn hồi trong trạng thái

không được xác định Hệ thống phân loại này được dựa trên cơ sở chỉ số tỉ lệ mô đun đàn hồi () của điều kiện biến dạng đàn hồi, nó được xác định theo công thức:

Ở đây: f – thể hiện với khối đá bị nứt nẻ

– các mô đun tiếp tuyến tại 50% của ứng suất phá hủy

Hệ số khe nứt chính là hệ số giảm yếu trong khối đá do ảnh hưởng của các hệ thống khe nứt Điều này dẫn đến kết quả trong công thức sau:

;

; Trong đó: – độ bền khối đá bị nứt nẻ, được xác định trong bảng 1.6 Từ các giá trị

và được biết, các tỉ số mô đun có thể được xác định và được phân loại theo bảng thống kê 1.7

Bảng 1.6 Phân loại độ bền của các khối đá nguyên khối và khối đá bị nứt nẻ

(Ramamurthy và Arora, 1993)