Đánh giá những khó khăn thường gặp khi đào lò trong vùng ứng suất cao và nên giải pháp khắc phục.

Đánh giá những khó khăn thường gặp khi đào lò trong vùng ứng suất cao và nên giải pháp khắc phục. Khi đào lò trong vùng đất đá cứng thường xảy ra hiện tượng nổ đá. Khi đào lò trong vùng đất đá mềm yếu và biến dạng thường xảy ra các hiện tượng....

LỜI MỞ ĐẦU

Việc đánh giá trạng thái ứng suất và áp lực đá lên công trình ngầm đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình mỏ, giao thông, thủy lợi, thủy điện… Trong phạm vi nghiên cứu của nhóm, chúng tôi chỉ trình bày, phân tích và đánh giá những khó khăn thường gặp khi đào lò trong vùng ứng suất cao Đồng thời nêu ra một vài giải pháp nhằm khắc phục hạn chế những khó khăn khi đào lò trong vùng ứng suất cao

ỨNG SUẤT CAO

I Khái niệm về ứng suất cao.

- Ứng suất cao là một khái niệm tương đối, do đá không giống nhauvốn có mô đun đàn hồi khác nhau, tính năng tích trữ năng lượng cũng khác nhau

- Bình thường có thể nói, độ lớn của ứng suất ban đầu của vùng đất

đá có liên quan với đặc tính biên dạng của khôi đá ở khu vực này, đá cứng thì tàng trữ năng lượng lớn, ứng suât nguyên sinh cũnglớn

- Vì vậy, ứng suất cao mà nói chỉ là tương đối so với cường độ đât

đá xung quanh Cũng có thê nói là khi tỉ số giữa ứng suất lớn nhất trong vùng khối đá xung quanh và cường độ của nó (Rb) đạt đến giá trị nào đó, mới có thể gọi là ứng suất cao hoặc ứng suất cực cao tức:

Tỉ lệ cường độ khối đá xung quanh=Rb/ max

II Nguyên tắc phân biệt ứng suất cao.

- Hiện nay trong thiết kế thi công công trình ngầm đều lấy tỉ lệ cường độ đá xung quanh làm chỉ tiêu quan trọng để phán đoán độ ổn định của đất đá xung quanh, có nơi còn làm chỉ tiêu quan trọng để phân cấp đất đá Từ góc độ giải thích này, cần phải nhận thức đến vấn đề chôn sâu lớn chưa chắc đã tồn tại ứng suất cao, mà trường hợp độ sâu nhỏ nhưng cường độ đá rất thấp, nhưxuất hiện biến dạng lớn, cũng có thể xuất hiện vấn đề ứng suât cao Vì vậy, khi nghiên cứuvấn đề ứng suất cao hay ứng suất cực cao hay không cần phải liên hệ với cường độ đá để tiến hành quyết định

- Bảng 1 lấy những tỷ lệ cường độ đá làm chỉ tiêu để phân cấp ứng suất tiêu chuẩn, có thể tham khảo Không cần nhất định là ứng suất ban đầu lớn thi là ứng suất cao Vì vậy, có lúc ứng suất ban đầu tuy lớn nhưng tỷ lệ so với cường độ đá lại chưa chắc cao Cho nên dưới trường hợp độ sâu tương đối nông,tuy ứng suất ban đầu không lớn, nhưng do cường độ đá cực thấp cũng có thể xuất hiện hiện tượng biển dạng cực lớn

- Lấy những tỷ lệ cường độ đá làm chỉ tiêu để phân cấp ứng suất tiêu chuẩn, có thể tham khảo Không cần nhất định là ứng suất ban đầu lớn thi làứng suất cao Vì vậy, có lúc ứng suất ban đầu tuy lớn nhưng tỷ lệ so với cường

độ đá lại chưa chắc cao Cho nên dưới trường hợp độ sâu tương đối nông, tuy ứng suất ban đầu không lớn, nhưng do cường độ đá cực thấp cũng có thể xuất hiện hiện tượng biển dạng cực lớn

- Phân cấp cơ bản chỉ tiêu ứng suất theo tỉ lệ cường độ đá:

Bảng 1 Phân cấp cơ bản chỉ tiêu ứng suất theo tỉ lệ cường độ đá

ứng suất cực cao ứng suất cao ứng suất bìnhthườngHiệp hội đường hâm Pháp <2 2-4 >4

Tiêu chuân cơ bản phân câp <4 4-7 >7

khối đá công trình của TQ

Hướng dẫn phương pháp đào >2 4-6 >6

hầm mới Áo của Nhật (1996)

Phân câp Nhật <2 2-4 >4

- Tỉ lệ cường độ đá có quan hệ với hiện tượng phá hủy của khối đá xung quanh sau khi khai đào, đặc biệt là liên quan với hiện tượng nổ đá và biến dạng lớn Trường hợp đầu (nổ đá) hiện tượng này có thể phát sinh trong khối đá cứng nguyên khối, trường hợp sau (biến dạng lớn) hiện tượng này có thể phát sinh trong địa tầng mềm hoặc địa tầng đất Sự liên quan trong phân loại cơ bản của khối đá công trình, mà quy phạm của (zhongye) Nhật Bản là dựa vào sự xuât hiện áp lực hóa dẻo hay không đê quyết định

- Hiện tượng chủ yếu xuất hiện khi đào lò trong khối đá có ứng suấtban đầu cao:

- Trường hợp ứng suất cực cao (Rb/ max < 4) :

+ Đối với đá cứng : trong quá trình đào lò có xảy ra hiện tượng nổ đá, cục đá bắn ra, khối đá xung quanh đường lò xảy ra bong tróc, nhiềunứt nẻ mới xuất hiện, tính năng tạo hang kém, nền hào có hiện tượng tách bóc, tính tạo hình kém

+ Đối với đá mềm : mẫu đá thường có hiện tượng hóa bánh Trong quá trình đào khối đá thành hầm có bong tróc, chuyển vị hiển thị rất rõ.Thậm chí xảy ra chuyển vị lớn, thời gian duy trì lâu Không dễ thành hầm, nền hào xảy ra nún rõ ràng hoặc bong tróc, không dễ thành hình.

- Trường hợp ứng suất cực cao (4 < Rb/ max < 7) :

+ Đối với đá cứng : trong quá trình khai thác đào có thể xuất hiện nổ đá, khối đá thành hầm có bóc tách và hiện tượng bong tróc, có tương đốinhiều khe nứt mới phát sinh, tính tạo thành hang tương đối kém, nền hào có hiệntượng bong tách, tính thành hình thường còn tốt

+ Đối với đá mềm : mẫu đá có hiện tượng hóa bánh, trong quá trình đào lò chuyển vị khối đá thành hầm hiện rõ, thời gian duy trì lâu, tính tạo hang kém Nền hào có hiện tượng nún, tính thành hình tương đối kém

- Hiện tượng xuất hiện trong khai đào khi tỉ số cường độ đá không giống nhau:

Tỉ lệ cường độ

đá >4 2-4 <2Đặc tính của

áp lực không phátÁp lực

sinh tính dẻo

Áp lực cólúc phátsinh tínhdẻo

Áp lực phátsinh tính dẻonhiều

III Hiện tượng ứng suất cao.

- Hiện tượng mẫu đá bị tách dạng các bánh :

Khi tiến hành thăm dò trong khối đá có cường độ dưới trung bình, thường nhìn thây mẫu đá có hiện tượng tách giống bánh L.Obert và

D.E.Stophenson (năm 1965) của Mỹ sử dụng phương pháp kiểm chứng thực nghiệm đồng dạng đạt được mẫu đá có dạng bánh, do vậy nhận định mẫu đá có trạng thái dạng bánh là sản phẩm của ứng suât cao Từ nguyên nhân hình thành phá hủy cơ học đá làm phân tích, hiện trạng mẫu đã có dạng bánh là sản phẩm phá hủy dãn cắt Ngoài cái này còn có thể phát hiện hiện tượng thu nhỏ đường kính lỗ khoan

- Hiện tượng bong tróc hông của đường hầm ngầm hoặc hầm thăm

dò :

Va đập khối đá là âm thành khàn khàn đồng thời có biến dạng tương đối lớn, đào hầm thăm dò hoặc đường hầm trong khối đá có độ cứngtrung bình trở xuống , ở trạng thái úng suất cao sẽ không xảy ra mãnh liệt giống như hiện tượng nổ đá, khối đá ở hông sẽ xảy ra hiện tượng bong tróc, có lúc khe nứt kéo dài liên tục đen tận lớp đá nông, lúc va đập có âm thanh lạo xạo Đường hầm trong đá mềm thì xảy ra biến dạng tương đối lớn chuyển vị rõ rệt duy trì Irong thời gian dài, hiện rõ thu nhỏ theo hướng kính

- Hiện tượng lún, tách lớp cùng với chuyển dịch đàn hồi phần nền hào đá :

Hiện tượng lún, tách lớp cùng với chuyển dịch đàn hồi phần nền hào đá Khi khai đào hào hoặc rãnh trên bê mặt khối đá cứng, trong quá trình khai đào đột ngột xuất hiện sụt lún, đứt gãy đồng thời kèm theo là âm thanh phát ra; hoặc phần nền hào sụt lún bong tróc Trong khôi đá nếu có lớp đá kẹp mềm thì trên mái dốc nghiêng của hào sẽ xuất hiện hiện tượng dịch chuyển đàn hồi trở lại

- Chỉ tiêu cơ học vật lí :

Đo được ở ngoài thực địa có kết quả cao hơn so với thí nghiệm mầu đá ở trong phòng thí nghiệm Do tồn tại ứng suất cao làm cho tham

số tốc độ sóng âm, mô đun đàn hồi của khối đá tăng cao, thậm chí so với tham

số đo được mẫu đá ở trạng thái không cỏ ứng suất trong phòng thí nghiệm cao Hình dạng của đường cong đo biến dạng chuyển vị ở ngoài hiện trường cũng sẽ thay đổi, trên trục ứng suất có đoạn giãn cách

* Ở đây nhóm em phân tích hai hiện tượng chính thường xảy ra khi đào lò trong vùng ứng suất cao là :

- Hiện tượng nổ đá đối với đá cứng

- Hiện tượng nén ép và biến dạng mạnh đối với đá mềm

HIỆN TƯỢNG NỔ ĐÁ ĐỐI VỚI ĐÁ CỨNG

I Tổng quan hiện tượng nổ đá.

- Khối đá xung quanh công trình trong điều kiện trường ứng suất cao mà xảy ra hiện tượng các phiến đá bắn ra, cùng với hông đường hầm có hiệntượng đá bong tróc gọi là nồ đá Trong khối đá mà khai đào công trình ngầm (xưởng ngầm, đường hầm, đường lò khai thác ngầm, khu vực khai thác ) làm phân bố lại ứng suất và hiện tượng ứng suất tập trung trong khối đá xung quanh

nó Sau khi ứng suất tập trung đạt đến một giá trị nhất định thì có thể xảy ra nổ đá

- Trong quả trình khai đào công trình ngầm, nổ đá là một hiện tượng phản ánh mất ổn định của khối đá xung quanh mạnh nhất Nó là một tai họa địa chất lớn của thi công công trình ngầm Do tính phát sinh đột ngột, uy hiếp nghiêm trọng nhất đối với người và thiết bị thi công trong công trình ngầm.Nếu như xử lý không thỏa đáng, thì sẽ làm cho an toàn thi công và giữ ổn định của khối đá hoặc công trình trở nên rất khó khăn, thậm chí sẽ tạo thành sự cố công trình đặc biệt nghiêm trọng

- Dựa vào thống kê không hoàn toàn, từ năm 1949 đến tháng 5 năm

1985, trong 32 mỏ lớn của Trung Quốc, chí ít phát sinh tăng 1842 vụ nổ than và

nổ đá, điểm thường phát sinh ở vị trí cấu tạo địa chất phức tạp, biến đổi đột ngột của vỉa than, vỉa than bằng phẳng đột nhiên bị uốn cong biến thành dốc nghiêng

ở độ sâu 200-1000m Một vài khu vực xảy ra nô đá nghiêm trọng, đã bung ra số lượng tính toán tấn cục đá, tấp đá và phiến đá Một số công trình thủy điện ngầmcủa Trung Quốc đã xảy ra hiện tượng nổ đá, vị trí no đá đá số trong đá vôi, đá kết tinh của vùng ứng suất cao hoặc ở vùng lũng sông gần mặt đất Ngoài ra khai đào đường hầm trong vùng ứng suất cao, nếu như tầng đá cứng tương đối nguyên vẹn cũngthường phát sinh hiện tượng nổ đá

- Do nổ đá là hiện tượng động lực cực kỳ phức tạp,đến nay điều kiện hình thành và nguyên lý nổ đá trong công trình ngầm vẫn chưa có nhận biếtthống nhất Có học giả cho rằng nổ đá là do bị phá hủy cắt; cũng có học giả căn

cứ vào kết quả thí nghiệm và quan sát của mình đưa ra kết luận là do phá hoại kéo giãn căng; còn có một quan điêm quá trình phá hoại khôi đá phát sinh nổ đá

phân làm 3 giai đoạn phá hủy: bóc tách hình thành tâm, bẻ căt thành cục,bắn bật các cục mảng ra.

II Phân loại, đặc tính và đặc điểm của nổ đá.

- Đặc trưng của nổ đá có thể miêu tả từ nhiều góc độ, hiện nay chủ yếu là căn cứ điều tra ngoài hiện trường mà đạt được đặc trưng nổ đá xem xét các nhân tố phương thức nguy hại, mức độ nguy hại của nổ đá cùng với đối sáchphòng ngừa nó phân làm hình thức rạn nứt tróc rời, dạng bắn nổ toác, dạng bắn phụt tung ra

+ Dạng tróc rời nứt vỡ : Khôi đá xung quanh công trình có dạng cục, tấm, vảy cá, khi nổ tách âm thanh phát ra nhỏ, khoảng cách bắn nhỏ, trên hông hình thành rãnh khe nứt, độ sâu của rãnh khe nứt chủ yếu bị khống chế bởi ứng suất và cường độ xung quanh khối đá

+ Dạng phụt bắn ra : Các phiến đá bắn ra và đá vụn phụt ra,

âm thanh nổ phát ra giống như tiêng súng, thể tích đá vụn bắn ra thường không vượt quá 0,33m3, đường kính 5-10cm Sau khi tạo rạch trong hầm, thường xuất hiện đá dạng mảnh vụn bắn ra, sụp đố hoặc bong tróc mảng mỏng dạng vỏ măng, Gự ly bắn của mảnh đá thường 2-5m Nhiều cục đá là mảnh đá hình thoi xung quanh mỏng giữa dày

+ Dạng nổ tung ra : Khi xảy ra nổ đá cục đá lớn văng ra, tiếng nổ của nó giống như tiếng nổ bom mìn, thê tích cục đá bắn ra vài mét khối đến hàng trục mét khối, cự lý văng xa vài mét đến vài chục mét

- Ngoài ra nổ đá cũng phân làm loại ứng biến, loại giới hạn và loại cục đá đột xuất như :

+ Loai ứng biến, chỉ khối đá cứng xung quanh đường hầm xuất hiện sự tập trung ứng suất, trong đá có tính dòn xảy ra phá hoại mãnh liệt,

là hiện tượng nổ đá thông thường nhất; loại giới hạn chỉ có khe nứt cùng song song với đường hầm, giới hạn của đá hông đường hầm xảy ra phá hủy đột ngột, thường là chấn động do phá hủy của nổ đá gây ra; loại các cục đá nhô ra, là hiện tượng các cục đá đột ngột trồi ra do bị các khe nứt và thớ nứt phân tách, cũng là

do phá hủy nổ đá hoặc chận động mà gây ra

- Trên quy mô cơ bản của nổ đá có thể phân làm 3 loại, tức quy mô nhỏ, quy mô trung bình và quy mô lớn Quy mô nhỏ là chi phá hoại ở phần nônggần bên hông hâm (độ dày phá hủy <25cm), khu vực phá hủy vẫn có tính đàn hồi, chất lượng của cục đá thông thường dưới 1 tấn Quy mô trung bình chỉ vùngphá hủy vỡ rời có độ dày 0,25-0,75m, nhưng bản thân của hầm vẫn ổn định; quy

mô lớn hiện rõ khối đá sập đô vượt quá độ sâu 0,75m Cục đá đá lớn bắn ra, trường hợp này sử dụng biện pháp chống giữ thông thường không thê ngăn chặnđược Dựa vào kinh nghiệm về công trình đường hầm đã có, nổ đá vốn có một

số đặc trưng cơ bản sau:

+ Từ mặt âm thanh nổ đá để xét, có mạnh có yếu, có im lặng,

có âm thanh, thông thường mà nói, âm thanh như sấm quy mô nổ đá lớn, mà âm thanh lanh lảnh quy mô tương đối nhỏ, có lúc kèm theo âm thanh, có thể nhìn chỗ vỡ nứt bôc bụi đá Hiện tượng phát ra âm thanh rất phổ biến, tuyệt đại bộ phận nổ đá kèm theo âm thanh phát ra

+ Từ mức độ bắn ra mà xem, cơ bản nổ đá thuộc hai loại bắn

ra yếu và không bắn ra Thường hầm áp sát hông trên của hông thuộc loại bắn rayếu, cự ly bắn ra không lớn hơn 2m, thường trong khoảng 0,8-2m Hầm nằm sát dưới núi nổ đá thuộc loại không bắn ra Chỉ là làm tách rời mặt đá hình thành cục đá nhỏ xen kẽ các lớp, hoặc cục đá lớn được bong tróc chia tách đá gốc, còn

có thể quan sát được một cách rất rõ trong khối đá đã hình thành khe hở hoặc lỗ rỗng.

+ Từ khối đá nổ sập mà xét, khối đá chủ yếu có cục đá có thểtích tương đối lớn hoặc tảng đá thể tích tương đối nhỏ, hình dạng của tảng đá có dạng vỏ sò xung quanh mỏng giữa dày, sự khác nhau về kích thước chiều rộng theo phương và dài của nó không hề khác nhau, độ dày xung quanh thì chênh lệch nhau Mà trạng thái cục nhiều là có hai cặp tổ hợp khe nứt song song, còn lại một tô hợp mặt khe nứt có trạng thái lưỡi dao Kích thước hình học của đá códạng tảng (mảng) đều tương đối nhỏ, thông thường trong phạm vi 4,5-20cm, đá

có dạng cục thì không đều từ vài chục centimet đến vài mét

+ Xét từ hình dạng rãnh nổ đá, có hình dạng góc vuông, bậc thang và dạng ổ Rãnh nổ đá với dạng góc vuông, quy mô của nó tương đối lớn, rãnh nổ có độ sâu tương đối lớn, mà lại kèm theo có âm thanh nổ đá nặng nề; còn quy mô nổ đá có dạng bậc thang nhỏ nhất, luôn luôn đi kèm theo với nhiều lần âm thanh nổ đá phát ra, khối đá nổ sạt nhiều với dạng tấm hoặc thanh; rạch

nổ đá có dạng ổ quy mô có to có nhỏ, cơ bản là dạng ổ một lần nổ dài, phá hoại

và âm thanh cơ bản đồng bộ

được một cách rõ ràng cục đá nổ ra được treo trên thanh neo, hình dạng chủ yêu

là dạng tâm hoặc tảng

+ Từ phương diện gian cách âm thanh nổ đá đến thời điểm sụt lở đá, có thể phân làm dạng nổ nhanh và dạng nổ chậm Nổ nhanh thường sau khi có âm thanh nổ ngay sau đỏ là sụt nổ khối đá, thời gian giãn cách của nó không quá 10 giây, còn quy mô phá hoại tương đối nhỏ; nổ chậm biểu hiện là chỉ nghe âm thanh của nó, không nhìn thây chân động của nó, nổ đá có thể chậmnửa tiếng thậm chí đến mấy tháng Cũng có lượng ít chỉ có âm thanh mà không phát sinh hiện tượng tách bóc ra khỏi khối nguyên Tức chỉ có phát triển rạn nứt trong khối đá xung quanh mà không xảy ra tính phá hủy nổ sập đá

+ Xét về phân bố phương rãnh nổ đá dọc theo tuyến đường hầm, có 3 loại hình, tức tính liên tục, dạng không liên tục và dạng lác đác (vụn vặt) Dạng liên tục biểu hiện là rãnh nổ đá phân bố liên tục dọc theo trục đường hầm độ dài 20-100m; Dạng thứ hai biêu hiện là rãnh nổ đá phân bố dạng mảng giãn cách từ vài chục centimet đên 2m, độ dài phân bố dọc trục của nó thường

từ 10 - 100m, còn trên thành hầm có hiện tượng đường vân vảy cá có thê thấy rõràng; loại thứ 3 thì biểu hiện là xuất hiện nổ đá lẻ tẻ quy mô nhỏ

III Hiện tượng phát sinh nổ đá.

- Rất nhiều nguyên nhân phát sinh nổ đá, trong đó nguyên nhân chủyếu là do đào hẩm trong khối đá làm thay đổi không gian tồn tại sẵn có của khối

đá, kết quả trực quan nhất là khối đá nảy sinh nổ đá tạo ra điều kiện không gian giải phóng năng lượng Khối đá khi đào hầm hoặc gây chấn động cơ giới khác

đã thay đổi trường ứng suất nguyên sinh trong khối đá, làm cho khối đá xung quanh khoảng trống công trình phân bố lại ứng suất và gây ra hiện tượng tập trung ứng suất, ứng suất xung quanh khối đá có lúc sẽ đạt được cường độ ứng suât nén dọc trục của đá, thậm chí sẽ vượt qua nó mấy lần Đây là điều kiện động lực tích lũy năng lượng cần thiết cho khối đá xảy ra nổ đá Tiền đề của điều kiện đẩy đủ nói trên còn phải từ đặc trưng cầu tạo và tính chất của đá đi phân tích biến dạng và hình thức phá hoại của khối đá, cuối cùng phải xem nứt

nẻ vĩ mô lớn trước có bao nhiêu năng lượng biên dạng đàn hồi thừa ra còn dự trữ Hiện tại khối đá do thời kỳ đâu từng bước tích lũy năng lượng biến dạng đàn

hồi, đi kèm theo biến dạng khối đá và khe nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện phát triển, làm cho cách thức truyền vào của năng lượng biến dạng đàn hồi tích trữ trong khối đá vừa tích trữ vừa tiêu hao, lại quá độ đến mức độ nứt nẻ khối đá tang mạnh, tạo nên điều kiện năng lượng biến dạng đàn hồi tích lũy hoàn toàn biến mất, toàn bộ năng lượng biến dạng đàn hồi tiêu tan mất.

- Khối đá có thể xảy ra nổ đá hay không còn liên quan đến thời giantích lũy và giải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi của khối đá Trong điều kiện tương đồng của chính khối đá, tốc độ tập trung ứng suất xung quanh khối

đá càng nhanh, năng lượng biến dạng đàn hồi tích lũy càng nhiều, năng lượng biển dạng đàn hồi giải phóng nhanh cũng càng nhiều, mức độ xảy ra nổ đá của khối đá càng mãnh liệt

- Vì vậy, điều kiện xảy ra nổ đá có thể quy lại là :

+ Khi đào công trình ngầm hình thành không gian ngầm là điều kiện hình học gây ra nổ đá

+ Sự tập trung và phân bố lại ứng suất xung quanh khối đá đãtạo ra sự tích lũy một lượng lớn năng lượng biến dạng đàn hồi ở khối đá xung quanh công trình ngầm đây là một điều kiện động lực gây ra 110 đá

+ Sau khi khối đá tiếp nhận ứng suất giới hạn sinh ra khe nứt ban đầu, tập trung giải phóng lượng năng lượng biến dạng đàn hồi dư tức quyết định mức độ bắn ra của nổ đá

+ Thông qua hình thức nào của nổ đá xuất hiện, nó được quyết định bởi tính chất của đá xung quanh công trình, đặc trưng kết cấu khối

đá, thời gian tích lũy và giải phóng năng lượng biên dạng đàn hồi dài hay ngắn

IV Căn cứ dự đoán nổ đá.

Từ kết quy định và thành quả nghiên cứu của một số quốc gia đã nhận thấy, căn cứ sinh ra nổ đá nà ná như nhau, vấn đề này đối với giai đoạn thiết kế đo đạc công trình ngầm, căn cứ mà điều kiện địa chất vạch ra để phán đoán phát sinh nô đá và có giá trị tham khảo hay không Căn cứ tiêu chuẩn sử dụng phân loại khối đá công trình của Trung Quốc như sau :

+ Khi Rc/ max > 7 không xảy ra nổ đá.

+ Khi Rc/ max = 4-7 có thể sẽ phát sinh nổ đá nhẹ hoặc nổ đámức độ trung bình

+ Khi Rc/ max<4 có thể sẽ xảy ra nổ đá nghiêm trọng

Trong đó:

Rc- Cường độ kháng nén đơn trục của đá

max - ửng suất nguyên sinh lớn nhất

Chỉ tiêu cường độ của đá có thể thông qua các dạng thí nghiệm để xác định, ứng suât lớn nhất thông thường là thông qua phương pháp đo đạc thực địa để xác định, nhưng không phải là tât cả các công trình đều có thể tiến hành

đo ứng suất Vì vậy không thể không nhờ vào những số liệu kinh nghiệm hoặc trực tiếp sử dụng đại lượng ứng suất thẳng đứng trong trường ứng suất trọng lực của khối đá làm giá trị ứng suất lớn nhất

V Phân tích các số liệu quan sát về hiện tượng“nổ đá”.

Những quan sát thực tế tại các mỏ than và kết quả phân tích thống

kê các số liệu thu nhận được từ các vụ“nổ đá’’đã cho phép Salamon M.D.G rút

ra những kết luận sau đây :

+ Độ dài của lò chợ dài Tần suất xuất hiện của các vụ “nổ đá’’ sẽ gia tăng khi gia tăng chiều rộng của panen lò chợ đến 180m Sau đó, đường cong của tần suất xuất hiện của các vụ “nổ đá’’ sẽ có mức độ gia tăng giảm dần và đạt đến giá trị không đổi khi chiều rộng panen lò chợ vượt quá giá trị 270 m

+ Các kích thước của vùng áp lực tựa Tần suất xuất hiện củacác vụ“nổ đá’’sẽ tang lên tùy theo mức độ giảm xuống của các kích thước vùng

áp lực tựa

+ Chiều sâu tính từ mặt đất Giữa tần suất xuất hiện của các

vụ “nổ đá’’ và chiều sâu khai thác có mối quan hệ tuyến tính với đặc tính dương (+) thể hiện rất chặt chẽ

+ Chiều dày khấu Sự gia tăng chiều dày khấu trong phần lớncác trường hợp sẽ kéo theo sự tăng tiến tần suất xuất hiện của các vụ “nổ đá’’

+ Tốc độ chuvển dịch gương lò chợ Giá trị dịch chuyển của gương lò chợ hàng ngày trên một khoảng cách lớn hơn rất nhiều so với chiều dày khấu Điều này sẽ dẫn đến những hậu quả không tốt do sự mất mát của đặc tính chậm phát triển của vùng phá huỷ Sự dịch chuyển của gương lò chợ với tốc

độ lớn hơn 5 m/tháng (khi vùng áp lực tựa có các kích thước nhỏ) và với tốc độ 10m/tháng (trong trường hợp các kích thước lớn của vùng áp lực tựa) sẽ kéo theo sự gia tăng đáng kể tần suất xuất hiện của các vụ nổ đá

+ Những phá hủy địa chất Tần suất xuất hiện của hiện tượng

“nổ đá” khi tuyến lò chợ đi qua các phá hủy địa chất lớn hơn rất nhiều so với trường hợp khi các công tác khai thác rời xa dần khỏi các cấu trúc địa chất đó

Cho đến năm 1960 các nhà địa cơ học vẫn cho rằng, tần suất xuất hiện của các vụ “nổ đá” được xác định bằng các tính chất của đá như độ bền và

độ giòn cao Tuy nhiên, sau đó các nhà địa cơ học đã nhận ra rằng, dạng phá huỷtương ứng không chỉ là tính chất đặc trưng cho riêng đá mà còn phụ thuộc vào

tổ hợp nhất định của các tính chất mẫu khảo sát (ví dụ độ cứng) và của máy nén

Ngay cả các loại đá có giá trị môdun đàn hồi thấp cũng có thể bị phá huỷ ngay tức thì nếu máy nén (thiết bị thử nghiệm) tương đối "mềm” Ngược lại, các loại đá gọi là cứng, trong trường hợp các mẫu của chúng được nén trong các máy nén rất “cứng”, có thể sẽ bị phá huỷ một cách từ từ và tại đây không có hiệu ứng phá huỷ đột ngột Ngoài ra, các số liệu kiểm tra địa chấn của các vụ “nổ đá" đã chứng minh rằng, mặc dù tất cả các vụ “nổ đá" sẽ kéo theo những hiệu ứng địa chấn nhưng không phải tất cả các sự kiện địa chấn đó đểu là các vụ “nổ đá" Trên thực tế, chỉ có một phần nhỏ các sự kiện địa chấn gây ra những ảnh hưởng xấu (ảnh hường mang tính phá hoại) đến các công trình ngầm

Như vậy, chỉ có một số ít hiện tượng phá huỷ động học mỏ thể hiệndưới dạng các vụ “nổ đá’’ Trong khi đó, cùng với sự gia tăng tần suất xuất hiện của các sự kiện địa chấn thì tỷ lệ số lượng vụ “nổ đá" trong chúng cũng sẽ tăng theo

McGarr A đã kết luận rằng, khổng tổn tại nhưng khác biệt cơ bản giữa các vụ động đất thông thường với các hiện tượng địa chấn có nguổn gốc từ việc thực hiện các cồng tác khai thác mỏ Gay N G Spencer D., Van Wyk J J, Van Der Hecver P K đã chứng minh rằng, tại đây vai trò quan trọng nhất thuộc

về các lực kiến tạo, còn các công tác khai đào trong nhiều trường hợp chỉ đóng vai trò như là “cái lẫy cò súng'’ (vai trò của công tác khởi động, mào đầu, kích nổ)

Những quan sát được một số các nhà địa cơ học thực hiện tại Hoa

Kỳ (ví dụ như trong công trình của Holland C T và Thomas E.) đã chỉ ra rằng, những điều kiện mỏ-địa chất sau đây sẽ tạo nên hoàn cảnh thúc đẩy sự xuất hiện của các vụ ‘‘nổ đá’’tại các mỏ than:

+ Chiểu dày lớp đất đá nằm phía trên các vỉa than lớn hơn 165m

+ Sự tổn tại của khối đá cát kết hình thành vách trực liếp tại các vỉa than

+ Sự tổn tại của lớp đá nển cực kỳ rắn chắc lại các vỉa than gây nên những cản trở cho quá trình phát triển hiện tượng bùng nén

+ Sự tổn tại các phá huỷ địa chất dưới dạng đứt gãy (khi tồn tại đổng thời các điều kiện đã nêu trên đây) sẽ dẫn đến sự gia tăng tần suất của các vụ “nổ đá”

Phương tiện hiệu quả chống lại hiện tượng “nổ đá” tại các mỏ khai thác bạc-chỉ có nguy hiểm về “nổ đá” thuộc bang Idaho chính là giải pháp nổ mìn giảm tải (theo Board M.P Fairhurst C Jenkis F MM Dorman K R.) Kết quả của các vụ nổ min giảm tải sẽ tạo nên một khu vực phá huỷ “yên tĩnh” tại vùng nóc vỉa Tại một số mỏ khai thác quặng, người ta khai thác các mạch quặng nghiêng có chiều dày lên tới 6m đến độ sâu lớn hơn 2.500 m Tại đây, người ta đã để lại các trụ bảo vệ trong quá trình khai thác các mạch quặng này thông qua hệ thống khai thác khấu hướng từ dưới lên trên với quy trình công nghệ chèn lấp đầy khoảng không gian khai thác vào giữa các lò chợ (buồng khấu) có chiếu dài bằng 61m Khi chiểu cao của trụ bảo vệ này đạt tới giá trị từ

18 - 20 m, thông thường sẽ xảy ra các vụ “nổ đá” với tâm điểm tại trụ bảo vệ hay trong vùng khối đá gần nó Các nhà địa cơ học đã xác nhận các vụ “nổ đá”

với biên độ không nhỏ hơn 2 theo thang Richte.Trong thờỉ gian xảy ra các vụ

“nổ đá’’thường đã gây ra sự chuyển dịch của hơn 1000 tấn đất đá

VI Quy luật cân bằng năng lượng và hiện tượng “nổ đá” :

Khai thác khoáng sản có ích là một quá trình động học Do đó, đầu tiên nên nghiên cứu quá trình phân bố lại nâng lượng trong khối đá do kết quả của sự thay đổi các đặc tính hình học của không gian khai thác và sau đó liên kếttất cả các vấn đề trên với hiện tượng “nổ đá” Ortlepp W D và Salamon M.D.G

đã phân tích cẩn thận vấn đề này và công bố những kết quả nghiên cứu liên quanđến chúng

Các nhà địa cơ học đã xem xét một vùng thể tích khối đá nào đó, trong đó tồn tại các công trình ngầm với những kích thước ban đẩu và sau đó tiến hành thay đổi kích thước của chúng Trước thời điểm hình thành khoảng trống, một ứng suất đã tồn tại và tác dụng trong thể tích khối đá sẽ được khấu Giá trị ứng suất này cân bằng với áp lực tác dụng của các lớp đất đá phía trên

Sau khi khấu, các ứng suấi tại biên nóc và nền công trình ngầm sẽ biến mất (hiện tượng “cất tải”; “dỡ tải”) Khi đó sẽ xảy ra quá trình “dỡ tải đàn hổi” Quá trình này sẽ sinh ra những chuyển dịch (hiện tượng cong, võng) của nóc và nền công trình ngẩm tương ứng các giá trị Vh và Vj Như vậy, thể tích của không gian ngầm sẽ bị giảm xuống Giá trị giảm thể tích Vc này gọi là đại lượng co ngót thể tích của đường lò Kết quả, quá trình này sẽ làm co ngót mặt cắt ngang của công trình ngầm

Trong khi đó, trên thực tế tồn tại một yếu tố rất quan trọng làm cản trở sự chuyển dịch của nóc và nền công trình ngầm: tại thời điểm trước và sau khi khai thác khoáng sản, tổng giá trị ứng suất trong mặt phẳng thuộc mặt cắt ngang công trình ngầm luôn luôn phải cân bằng với giá trị áp lực của trọng lượng lớp đá nằm phía trên

Từ đây, sau khi thực hiện đào phá mỗi mét vuông mặt cắt ngang công trình ngầm, các đại lượng ứng suất xung quanh công trình ngầm cần phải được gia tăng lên so với các giá trị ứng suất tương ứng trong khối đá nguyên sinh thêm một giá trị chuẩn xác nào đó để có thể cân bằng với giá trị áp lực lớp

đá phía trên khi chúng không còn được chống đỡ bằng khối đất đá tại phần mặt

cắt ngang này Sự tác động của ứng suất “cảm ứng’’này sẽ xuất hiện trong quá trình nén ép mặt nền vỉa gần công trình ngầm xuống phía dưới Trong khi đó, sựhình thành công trình ngầm không làm thay đổi thế năng của nền đá có nguổn gốc từ các lực trọng trường.

Ngoài ra, tuỳ theo mức độ lún cùa nền lò thì nóc của công trình ngầm cũng bị chuyển dịch xuống phía dưới Như vậy, đất đá nóc lò sẽ phải dịch chuyển xuống phía dưới đến một giá trị bằng tổng giá trị uốn đàn hổi Vh và giá trị lún Vg của nền Do giá trị cuối này bằng giá trị dịch chuyển của nền lò Vf, cho nên giá trị tổng chuyển dịch của biên nóc lò sẽ đạt tới giá tộ bằng “tổng độ

co ngót thể tích” trong giới hạn của mặt cắt ngang công trình ngẩm Vc Kết quả của các dịch chuyển này sẽ dẫn đến việc thế năng của khối đá W, (xuất hiện do các lực trọng trường) sẽ giảm xuống một giá trị xác định bằng tích của giá trị co ngót thể tích Vc và ứng suất pháp 0 tác dụng trong mặt cắt ngang công trình ngầm tại thời điểm trước khi hình thành chúng

Salamon M D G và Wagner H đã xem xét sự cân bằng thế năng trong quá trình gia tăng tuần tự kích thước của công trình ngầm Nếu độ bền đá

mỏ lớn đến mức có thể tránh được hiện tượng phá hủy chúng thì sự thay đổi thế năng trong quá trình chuyển dịch gương lò sẽ xác định nguồn (giá trị) năng lượng hoàn toàn phải sửdụngđể gia tăng giá trị dự trữ thế năng cho khối đá bao quanh gương lò đang chuyển dịch và gia tăng sự biến dạng của kết cấu chống giữ (Ws)

Ngoài ra, kết quả mỗi bước chuyển dịch của gương lò sẽ bóc đi mộtthể tích đá nhất định và khối đá sẽmất đi một lượng năng lượng Um đã “dự trữ” trong thể tích đó Bằng phương pháp lập luận như vậy, giá trị của năng lượng toàn phần mà khối đá có thể “chuyển giao được” sẽ bằng :

Um + WtTrong quá trình công trình ngầm phát triến, khối đá xung quanh nó

sẽ bị biến dạng và khi đó sẽ phải hoàn thành một khối lượng công việc nhất định Phẩn năng lượng toàn phần (không lớn hơn 50%) sẽ được tích tụ dưới dạng năng lượng biến dạng xuất hiện do sự tập trung ứng suất xung quanh công trình ngẩm Một phần khác của lượng năng lượng này sẽ bị phân tán dưới dạng này hay dạng khác Phần năng lượng bị phân tán Wr thường được gọi là phần năng lượng được giải phóng Giá trị năng lượng toàn phần (Wt+Um) phải bằng

tổng năng lượng tích tụ Uc và nâng lượng được giải phóng Wr, nghĩa là:

Uc + Wr = Um + Wt

Sự gia tăng khoảng không khai thác được thực hiện bằng những bước tiến nhỏ trong phần lớn các hộ thống khai thác đã xem xét Do đó, tất cả các gia số có thể được ký hiệu thông qua ∆ Tương tự, nếu các bước gia tăng kích thước của công trình ngầm nhỏ thì ∆Wk = 0 và từ đây các nhà địa cơ học nhận được:

Spottiswood S.M.McGarr A.)

Sự thay đổi năng lượng biến dạng ∆ Um sẽ làm xuất hiện một phần năng lượng giải phóng DWr đồng thời cùng với ∆ Ws Điều này có thể được xem như là thước đo (mức độ) tập trung ứng suất hình thành tại phần tương ứng của gương lò trong trường hợp không có hiện tượng phá huỷ đá

Do trên thực tế,các phá huỷ này có xảy ra, cho nên sư tâp trung ứngsuất đó không thể thực hiện được một cách triệt để Tuy nhiên, đại tượng ∆ Um (tính cho một đơn vị diện tích khấu) có thể đươc tiếp nhận như một đơn vị đo hiệu quả cho trạng thái vùng gương lò và sự thay đổi trạng thái ứng suất trong quá trình chuyển dịch gương lò Đại lượng ∆ Um liên quan trực tiếp đến xác suất của các vụ “nổ đá” và các hiện lượng địa chấn Trong khi giá trị tỷ sổ của

nó trên một đơn vị diện tích sẽ xác định luồng năng lượng được giải phóng Giá

trị của luồng năng lượng này có thể tính được trên máy tính điện tử thông qua một phần mềm chuyên dụng (theo Budavari S.).

Các tính toán trên đây thực hiện nhầm mục đích thiết lập các phương pháp hạn chế đến mức độ tối đa luồng năng lượng được giải phóng tới các giá trị nhò hơn 30 MJ/m2 trong các khối đá bị phá huỷ địa chất Còn trong các khối đá không có những phá huỷ địa chất thì các vụ “nổ đá” có thể xuất hiệnkhi các luồng năng lượng bằng 15 MJ/m2

Các nhà địa cơ học cho rằng, trong trường hợp phá nổ, các cục đá chuyển dịch tức thì sẽ bị dỡ tải do đó, trong chúng sẽ bị mất một lượng năng lượng ∆ Um đã được tích luỹ Nếu công tác đào phá được thực hiện bằng các phương tiện cơ giới, nhờ lực ma sát giữa đất đá và bộ phận cắt phá đá của thiết

bị máy mỏ thì một phần ∆ Um sẽ bị chuyển thành nhiệt năng Có thể giả định rằng, tại những độ sâu lớn, một phần lớn ∆ Um sẽ bị tiêu phí cho việc phá huỷ một thể tích đá nhất định phía trước gương đào

Tuỳ theo mức độ phát triển của các công tác khai thác sau mỗi bước chuyển dịch của gương lò chợ, năng lượng khối đá đã tích luỹ xung quanh gương đào sẽ gia tăng thêm một giá trị nâng lượng bằng ∆ Ut Năng lượng biến dạng toàn phần Uc hình thành tại thời điểm bắt đầu các công tác khai đào sẽ là thước đo so sánh cho giá trị năng lượng tích lũy trong khối đá đo kết quả đào phá Cùng với năng lượng có nguồn gốc từ các lực kiến tạo, năng lượng này sẽ

bị giải phóng một phần tại những thời điểm ban đầu của hiện tượng động đất Thước đo này cho phép so sánh các sơ đồ bố trí công trình ngầm khác nhau Tổng sự thay đổi thế năng Wt do kết quả khai thác vỉa thoải hay vỉa gần thoải cóthế xác định theo công thức sau đây:

Wt = σo + VcTại đây:

+ σo - Giá trị ứng suất tác dụng theo phương thẳng đứng trong khối đá nguyên sinh tại độ sâu tương ứng;

+ Vc - Độ co ngót thể tích đàn hối cùa công trình ngầm.Theo nguyên tắc, tất cả các chỉ tiêu năng lượng trong quá trình biếnđổi trên đây sẽ giảm xuống khi giảm Wt Điều này có thể đạt được chỉ bằng sự

hạn chế của sự co ngót của thế tích Vc Như vậy, sự co ngót thể tích có thể đạt được bằng các phương pháp sau đây:

+ Bằng sự hạn chế của chiều dày khấu;

+ Bằng phương pháp chèn lấp khoảng không gian khai thác bằng các loại đá rỗng;

+ Bằng phương pháp khấu không hết (có để lại các trụ bảo vệ)

VII Cơ chế của hiện tượng nổ đá :

Các nguổn năng lượng địa chấn chủ yếu gây nên hiện tượng “nổ đá” cổ thể là :

+ Sự thay đổi của trạng thái ứng suất do kết quả của công tác khai đào;

+ Những hiện tượng trượt, dịch chuyển đá dọc theo các phá huỷ địa chất có dạng sụt Trong một số trường hợp, ngay cả những chuyển dịch không đáng kể của gương lò chợ cũng có thể kéo theo hiện tượng giải phóng độtngột một lượng năng lượng lớn

Để các hiện tượng động học áp lực mỏ xuất hiện cần phải có một loạt các điều kiện cụ thể sau đây (theo Salamon M D G.):

+ Vùng khối đá phải ở trạng thái giới hạn cân bằng không ổn định;

+ Trong vùng xem xét cần phải có sự tác dụng của các ứng suất nhất định được hình thành do các công tác khai đào mỏ Ngoài ra, bất kỳ sự biến đổi nhỏ nào của các ứng suất này cũng có thể sẽ là giá trị đủ lớn để phá vỡ trạng thái cân bằng;

+ Để kích động quá trình lan truyền các sóng địa chấn, cần phải có những “cú hích” đột biến của ứng suất với biên độ cực lớn;

+ Để hình thành ổ động năng hay địa chấn nâng cần làm cho xung quanh vùng cân bằng khổng ổn định trong khối đá phải tích luỹ một lượng

năng lượng đủ lớn Nguồn gốc cùa năng lượng này được hình thành bằng tổ hợpcác lực kiến tạo, các lực trọng trường và các ứng suât công nghệ.