Bài viết tập trung vào nghiên cứu để chế tạo thanh giằng kiểu mới giúp nâng cao khả năng làm việc phối với neo và neo cáp, giữ đường lò ổn định. Thông qua phương pháp phân tích tổng hợp chỉ ra hạn chế của thanh giằng đang sử dụng, từ đó đề xuất thanh giằng mới có tiết diện ngang dạng JW, sử dụng phần mềm ANSYS kiểm nghiệm khả năng làm việc của thanh giằng JW.
44 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 59, Kỳ (2018) 44-49 Chế tạo giằng JW nhằm nâng cao hiệu chống giữ phối hợp neo neo cáp dự ứng lực cho đường lò dọc vỉa đào than Vũ Đức Quyết 1,*, Nguyễn Văn Xô 2 Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Việt Nam Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 15/6/2017 Chấp nhận 20/7/2017 Đăng online 28/2/2018 Qua khảo sát thực tế cho thấy đường lò dọc vỉa đào bám trụ vỉa than dày chịu tác động khai thác bị biến dạng phá hủy mạnh, sử dụng loại giằng thông thường kết hợp với neo chống giữ cho đường lò giằng bị uốn lật kéo đứt, đất đá neo bị tụt nở mạnh làm phá hủy vòm gia cố gây sập lò Trong nghiên cứu nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu để chế tạo giằng kiểu giúp nâng cao khả làm việc phối với neo neo cáp, giữ đường lò ổn định Thơng qua phương pháp phân tích tổng hợp hạn chế giằng sử dụng, từ đề xuất giằng có tiết diện ngang dạng JW, sử dụng phần mềm ANSYS kiểm nghiệm khả làm việc giằng JW Kết cho thấy giằng JW đáp ứng yêu cầu đề ra, khắc phục hạn chế giằng sử dụng Kết nghiên cứu làm tài liệu tham khảo cho nhà khoa học nghiên cứu thiết kế chế tạo giằng Từ khóa: Thanh giằng Đường lò dọc vỉa Vỉa than Chống giữ neo © 2018 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Trong khai thác than hầm lò, việc trì độ ổn định cho đường lò dọc vỉa quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến cơng tác an tồn, chi phí sản xuất sản lượng khai thác Hiện nước ta đường lò dọc vỉa chủ yếu chống thép SVP đào đường lò ổn định chịu ảnh hưởng khai thác than đường lò thường bị biến dạng mạnh, chống bị bóp méo, không gian sử _ *Tác giả liên hệ E-mail: quyetvu1980@gmail.com dụng đường lò khơng đảm bảo thường phải chống xén lại làm tăng giá thành gián đoạn trình khai thác Trên giới để khắc phục vấn đề số nước sử dụng phương pháp chống giữ phối hợp neo neo cáp, bước đạt kết đáng kể (Hà Mãn Triều nnk., 2004) Tuy nhiên để phát huy hiệu chống giữ hệ thống chống giữ neo tổ hợp thành neo, đệm, giằng chất dẻo phải có cường độ cân đối nhau, cường độ hệ thống chống giữ neo cường độ thấp cấu kiện Vũ Đức Quyết Nguyễn Văn Xô/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 44-49 Cho nên hệ thống chống giữ cho dù neo có đạt cường độ cao giằng có cường độ khơng cao khối đá gia cường không đạt cường độ cao tương ứng vị trí xung yếu làm ổn định (Hà Mãn Triều nnk., 2004; Tịnh Hồng Văn nnk., 2003) Kết khảo sát thực tế mỏ than Tứ Đài mỏ than Tháp Sơn thuộc Tập đoàn than Đại Đồng Trung Quốc cho thấy, sử dụng giằng W có khả chịu lực thấp chống giữ đường lò dọc vỉa đào bám trụ vỉa than dày có áp lực mỏ lớn nên bị kéo đứt uốn lật, gây tượng tụt khoảng hai neo Khi thay giằng W giằng chữ I giằng thép SVP có khả chịu lực cao, chúng có độ rộng nhỏ nên bị uốn lật gây ổn định đường lò (Hình 1) (Vũ Đức Quyết, 2015) Theo (Khang Hồng Phổ Vương Kim Hoa, 2007) hiệu làm việc giằng dự ứng lực neo truyền phân tán vào khối đá thông qua cấu kiện giằng đỡ, giúp mở rộng vùng nén ép gia cường hữu hiệu, nâng cao hiệu chống giữ phần đất đá hai neo, bảo vệ tính nguyên vẹn đất đá biên cải thiện hiệu chống giữ hệ thống chống giữ neo cách rõ rệt Từ kết khảo sát lập luận cho thấy, giằng có vai trò quan trọng định đến ổn định đường lò chống neo, đặc biệt điều kiện đường lò đào bám trụ vỉa than dày, có áp lực lớn yêu cầu giằng cao Thực tế khảo sát cho thấy, đường lò chống neo nước ta đường lò đào đá cứng không sử dụng giằng Tuy nhiên, chống đường lò dọc vỉa 45 đào bám trụ vỉa than dày, để phát huy hiệu chống giữ neo cần phải có giằng phù hợp (Vũ Đức Quyết, 2015) Điều cần thiết tương lai đường lò dọc vỉa mỏ than hầm lò nước ta có xu chuyển từ chống chống kim loại sang chống neo Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo giằng vừa có khả chịu lực cao vừa phát huy khả gia cố khối đá chống giữ phối hợp neo cho đường lò dọc vỉa đào bám trụ vỉa than dày, tạo đồng cho hệ thống chống giữ neo nhằm đảm bảo độ ổn định cho đường lò q trình sử dụng cần thiết Nguyên lý làm việc chống giữ giằng Thanh giằng phận mấu chốt hệ thống chống giữ neo, tảng hình thành độ cứng xà nhờ nguyên lý sau (Hà Mãn Triều nnk., 2004; Tịnh Hồng Văn nnk., 2008): - Điều phối chịu lực neo Lực tác dụng neo lên đất đá biên lò tải trọng tập trung điểm, nhờ có giằng làm chuyển hóa tải trọng điểm sang phân bố đều, mở rộng phạm vi chống giữ cho neo, làm neo chuyển từ trạng thái tải sang chịu lực tương đối nhỏ tải trọng phân bổ tới neo - Nâng cao lực chống giữ tổng thể hệ thống neo Khối đất đá nằm neo vùng xung yếu hệ thống chống giữ neo, dùng giằng để liên kết neo với Hình Hình ảnh giằng bị phá hủy phối hợp chống giữ neo (Vũ Đức Quyết, 2015) 46 Vũ Đức Quyết Nguyễn Văn Xơ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 44-49 phát huy tác dụng liên kết neo thành thể chống giữ thống nhất, làm tăng khả chịu lực cho tồn hệ thống chống neo, từ giảm phá hủy kéo biến dạng uỗn cong lớp đất đá biên lò gây ra, làm cho khối đất đá lò tạo thành thể liền khối có khả chịu tải lớn - Ngăn chặn sập đổ đột ngột Thơng qua liên kết giằng neo lắp nghiêng hai góc đường lò tạo thành thể thống nhất, từ làm cho khối đất đá phần hơng đường lò liên kết với thành thể thống chịu lực, làm giảm biến dạng khối đá đạt đến ổn định, ngăn ngừa trượt theo khe nứt hai góc đường lò, ngăn ngừa cố sập lở khối đất đá lò mà ta dự báo trước - Nâng cao lực kháng uốn lò vị trí có giằng Lực tác dụng giằng lên lò lớn độ uốn võng nhỏ, có lợi chống giữ đường lò Vì để đảm bảo cường độ chống giữ giằng có độ cứng lớn tốt Điều đồng nghĩa với lập luận (Khang Hồng Phổ Vương Kim Hoa, 2007) giằng có độ cứng bề rộng đủ lớn, giằng áp sát vào bề mặt đất đá truyền dự ứng lực neo vào khối đá vị trí xung yếu hai neo, làm tăng độ cứng vòm gia cường, giảm độ uốn võng lò Phân tích đề xuất giằng hợp lý chống giữ đường lò dọc vỉa 3.1 Phân tích đề xuất chế tạo giằng hợp lý Do đường lò dọc vỉa đào bám trụ vỉa than dày, chịu tác động q trình khai thác khối than hơng bị nén ép nứt nẻ mạnh, đường lò biến dạng mạnh, áp lực mỏ xung quanh lớn Nếu sử dụng giằng dạng W có độ rộng khả tiếp xúc với bề mặt đất đá tốt, khả chịu lực nhỏ nên khả truyền dự ứng lực neo vào khối đá bảo vệ bề mặt biên lò Do đó, bị xoắn vặn kéo đứt chịu tác động áp lực lớn làm khả chịu lực, gây tượng tụt hai neo Khi sử dụng giằng thép chữ C, chữ I thép SVP thay thế, chúng có khả chịu lực cao giằng có độ rộng nhỏ, diện tích bảo vệ bề mặt biên lò hạn chế khơng có khả bảo vệ đất đá bề mặt biên lò, khơng kết hợp với neo để tạo vùng nén ép gia cường giữ tính nguyên vẹn cho khối đá bề mặt Cho nên không phát huy tác dụng chống giữ neo như: không tạo vòm gia cường, khơng nâng cao khả tự chịu tải khối đá, áp lực tác dụng lên giằng lớn, giằng có độ rộng nhỏ nên dễ xảy tượng uốn lật gây ổn định đường lò (Vũ Đức Quyết, 2015) Nguyên lý chống neo đường lò than tạo vòm chịu tải, việc sử dụng giằng hợp lý giúp tăng cường khả chịu tải vòm nhờ giữ tính ngun vẹn khối đá bề mặt biên lò, tăng khả truyền dự ứng lực neo vào khối đá, từ nâng cao hiệu gia cường bảo vệ vòm gia cường neo tạo Từ phân tích cho thấy, để phát huy tối đa hiệu chống giữ neo cần phải chế tạo giằng phải vừa có độ cứng lớn, vừa phải có độ rộng lớn, để tăng diện tích tiếp xúc khả áp sát vào bề mặt biên lò, tăng khả truyền dự ứng lực vào khối đá, nhằm bảo vệ tính nguyên vẹn đất đá biên lò nâng cao hiệu gia cường khối đá Khi tránh tượng tụt khu vực xung yếu hai neo, nhờ mà ngăn ngừa phá vỡ vòm gia cường tạo thành hệ thống chống neo Bảng Tham số loại thép thường dùng chống giữ đường lò Loại giằng Độ rộng, cm Thép C14a Thép I12 Thép SVP29 14 12 15.05 Mô men quán tính, cm4 53.21 46.90 612.10 Tiết diện ngang, cm2 18.52 17.82 37.00 Mơ men qn tính/tiết Trọng lượng, diện ngang, cm2 kg/m 2.87 14.54 2.63 13.99 16.54 29.00 Vũ Đức Quyết Nguyễn Văn Xơ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 44-49 80 64 60 340 Hình Mặt cắt ngang giằng JW Với nhiệm vụ trên, sử dụng giằng thép lòng máng SVP, chữ I chữ C khơng đáp ứng u cầu chúng có độ rộng nhỏ, giằng W đáp ứng yêu cầu khác khả chịu lực lại Do phải chế tạo giăng cho vừa có độ cứng lớn vừa có độ rộng đủ lớn, vừa nhẹ giữ ưu điểm giằng W ưu tiên hàng đầu Tham số tương quan loại thép thường dùng chống giữ đường lò thể Bảng (Vũ Đức Quyết, 2015; Trần Xuân Truyền Vũ Đức Quyết, 2012) Yêu cầu độ cứng chống giữ giằng đường lò dọc vỉa cao, kết cấu bảo vệ bề mặt đất đá lò hai neo cáp neo thường, mơ men qn tính theo tiết diện ngang có quan hệ trực tiếp đến hiệu khống chế khối đá nứt nẻ lò Từ Bảng cho thấy, mơ men qn tính theo tiết diện ngang thép lòng máng lớn nhất, thép chữ I nhỏ Tuy thép lòng máng chịu lực tốt, khối lượng tương đối lớn 29kg/m gây khó khăn cho công tác vận chuyển lắp đặt Thông qua ưu nhược điểm loại thép, giằng sử dụng để chống lò yêu cầu giằng chống giữ đường lò dọc vỉa, chúng tơi đưa tiêu chí chế tạo giằng cố gằng giảm trọng lượng, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, chịu lực tốt từ thiết kế giằng JW có hình dạng tiết diện ngang Hình sở giằng W Thơng qua phần mềm Autocad sử dụng lệnh Massprop để xác định thơng số mơ men qn tính diện tích tiết diện 47 ngang giằng thiết kế Cấu tạo giằng: Độ rộng 340mm, độ cao 64mm, mơ men qn tính 99,7cm4, diện tích tiết diện ngang 27,43cm2, mơ men qn tính theo tiết diện ngang 3,63cm4 thấp thép lòng máng cao thép chữ C chữ I Tuy đặc tính chịu lực khơng với thép lòng máng độ rộng bảo vệ bề mặt biên lò lớn lần thép lòng máng, trọng lượng nhỏ thép lòng máng, khơng dễ bị xảy tượng vặn lật, ổn định hay phá hủy 3.2 Đánh giá kiểm nghiệm tính chịu lực giằng Để đánh giá kiểm nghiệm tính học loại giằng, ta xét giằng trường hợp chịu lực lớn xung yếu với mơ hình tính tốn thiết lập sau: coi giằng xà ngang cố định hai đầu (đường lò có bằng), với chiều dài xà khoảng cách lớn hai neo cáp (l=2m), tải trọng tác dụng lên toàn trọng lượng khối đất đá nằm hai neo phân bố (q=120kN/m), mô đun đàn hồi thép E=2.06×1011N/m2 Với mơ hình tính trên, thơng qua mơn sức bền vật liệu kiểm tra tính học dựa cơng thức tính độ uốn võng lớn xà chịu tải trọng phân bố giằng chữ C, I, SVP JW theo công thức sau (Vương Kỳ, 2012; Tịnh Hồng Văn nnk., 2008): (1) 𝑓 = (5𝑞𝑏 )/384𝐸𝐼 Trong đó: - Độ võng xà, m; q- Tải trọng phần đất đá nằm hai neo tác dụng lên giằng, kN/m; l- Khoảng cách hai neo, l=2m; E- Mô đun đàn hồi thép, E=2.06x1011N/m2; I- Mô men qn tính xà, m4 Từ thơng số kỹ thuật loại thép (Vũ Đức Quyết, 2015; Trần Xuân Truyền, Vũ Đức Quyết, 2012) thông qua phần mềm ANSYS Hình Phân bố ứng suất giằng a- Thép C14a; b- Thép I12; c- Thép SVP29; d- Thép JW 48 Vũ Đức Quyết Nguyễn Văn Xơ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 44-49 Hình Phân bố chuyển vị giằng a- Thép C14a; b- Thép I12; c- Thép SVP29; d- Thép JW Bảng Bảng thơng kê kết tính tốn giằng điển hình Loại thép Thép chữ C Thép chữ I Thép SVP Thép JW Mã hiệu 14a 12# 29# 34A Ứng suất lớn đoạn võng nhất, Mpa 12601880 162202 66,187,8 183358 (Ansys, 2013) ta xây dựng mô hình tính phân tích chịu lực giằng chữ C, I, SVP JW Từ kết giá trị ứng suất độ võng lớn giằng thể Hình 3, Hình Bảng ta tiến hành phân tích đánh giá khả chịu lực chúng Hình 3, Hình Từ Hình Hình cho thấy mơ hình chọn để tính xà ngàm chặt hai đầu nên xảy tượng tập trung ứng suất Cho nên để đánh giá kiểm nghiệm khả chịu lực giằng ta dựa vào giá trị ứng suất vị trí có độ võng lớn (giữa xà) Với xà thép chữ C vị trí xuất ứng suất kéo lớn tập trung hai cánh xà với giá trị từ 12601880Mpa vượt cường độ kháng kéo vật liệu nên bị phá hủy, độ võng lớn 173,9 mm; với thép lòng máng vị trí xuất ứng suất kéo lớn tập trung hai cánh 66,187,8Mpa, giá trị ứng suất kéo xuất tương đối nhỏ, độ uốn võng xà nhỏ 1,8mm, điều cho thấy khả chịu lực lớn; với thép chữ I đặt nằm ngang khơng phát huy tính ưu việt nó, tạo thành tập trung ứng suất hai bên cánh với giá trị 162202Mpa, độ uốn võng lớn 4,9mm; với giằng thép JW giá trị ứng suất lớn vị tri uốn võng lớn phân bố có giá trị 183358Mpa, độ uốn võng lớn 27,8mm, có ứng suất độ uốn võng lớn thép chữ I thép SVP đảm bảo giới hạn bền cho phép Độ võng lớn nhất, mm 173.9 4.9 1.8 27.8 Tổng thể mà nói, khả chịu lực giằng thép chữ I thép lòng máng lớn chúng lại có độ rộng bề mặt tiếp xúc với đất đá nhỏ, khả bảo vệ giữ nguyên bề mặt biên Còn giằng thép JW có khả chịu lực nhỏ thép chữ I thép lòng máng SVP thỏa mãn yêu cầu chịu lực để chống giữ đường lò dọc vỉa đào than, mặt khác độ rộng lớn so với thép chữ I thép SVP nên có khả bảo vệ đất đá bề mặt biên truyền ứng suất từ neo vào khối đá giúp tăng cường khả gia cường khối đá, tăng cường khả tự chịu tải khối đá, làm giảm áp lực tác dụng lên giằng Vì vậy, giằng thép JW có khả đáp ứng yêu cầu chống giữ phối hợp với neo đường lò dọc vỉa đào vỉa than dày mà có yêu cầu bảo vệ kết cấu bề mặt cao Kết luận Từ kết phân tích u cầu thực tế nhóm tác giả nghiên cứu chế tạo giằng thép JW (Hình 2) có khả chịu lực cao, độ rộng lớn, nhờ bảo vệ đất đá bề mặt biên lò giữ tính ngun vẹn nó, nâng cao khả truyền dự ứng lực neo vào khối đá nhằm triệt tiêu ứng suất kéo xuất hiện, cải thiện trạng thái ứng suất xung quanh, nâng cao lực gia cố tổng thể hệ thống chống giữ neo Chính mà nâng cao khả tự chịu tải đất đá nóc, giảm tải trọng tác dụng lên neo giằng, loại bỏ tượng Vũ Đức Quyết Nguyễn Văn Xơ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 44-49 neo bị đứt, giằng bị uốn lật xé rách Để đảm bảo nâng cao hiệu sử dụng giằng JW, tránh phá hoại cắt neo xê dịch chúng cần phải kết hợp với chế tạo thêm đệm chuyên dụng JW làm tăng lực ma sát khả liên kết giằng đệm, tạo thành thể chống giữ hoàn chỉnh neo, giằng đệm Với việc chế tạo giằng JW bảo đảm cơng tác an tồn khai thác đào lò, nâng cao sản lượng khai thác, hạ thấp giá thành chống giữ, giảm nhẹ cường độ lao động công nhân, cải thiện tình trạng chống giữ mơi trường làm việc Tài liệu tham khảo Ansys, Inc, 2013 Ansys Mechanical APDL Introductory Tutorials, USA Hà Mãn Triều, Viên Hòa Sinh, Tịnh Hồng Văn, Vương Phương Vinh, Cảnh Hải Hà, 2004 Thực tiễn lý luận chống giữ neo Mỏ than Trung Quốc Nhà xuất Khoa học, Bắc Kinh, Trung Quốc (Tiếng Trung) Khang Hồng Phổ, Vương Kim Hoa, 2007 Kỹ thuật đồng lý luận chống giữ neo đường lò đào than Nhà xuất Công nghiệp Than 49 Bắc Kinh (Tiếng Trung) Tịnh Hồng Văn, Đồn Thần Huy, Khúc Thiên Trí, Chương Mậu Lâm, 2003 Nghiên cứu giằng kháng kéo đứt hệ thống chống giữ neo cường độ cao Tạp chí khoa học kỹ thuật than Trung Quốc 31(12), 16-19 (Tiếng Trung) Tịnh Hồng Văn, Lưu Nguyên Hải, Triệu Bảo Thái, Hứa Quốc An, 2008 Lý luận kỹ thuật chống giữ cơng trình đất đá mềm Nhà xuất Đại học Mỏ Trung Quốc, Trung Quốc (Tiếng Trung) Trần Xuân Truyền, Vũ Đức Quyết, 2012 Giáo trình Đào chống lò Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh, Quảng Ninh, Xuất Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Vũ Đức Quyết, 2015 Quy luật biến dạng phá hủy đường lò dọc vỉa tiết diện lớn vỉa than đặc biệt dày chịu ảnh hưởng mắc ma xâm nhập biện pháp khống chế, Luận án tiến sĩ, Đại học Mỏ Trung Quốc, Từ Châu (Tiếng Trung) Vương Kỳ, 2012 Nghiên so sanh nguyên lý khống chế phá hủy khối đá xung quanh đường lò đào bám vách vỉa than dày độ sâu lớn với hệ thống chống giữ kiểu mới, Luận án tiến sĩ, Đại học Sơn Đông, Trung Quốc (Tiếng Trung) ABSTRACT Manufacture of JW brace to improve the effectiveness of joint protection between anchor and post-tensioning anchor cables for the pit road along the coal bed Duc Quyet Vu 1, Van Xo Nguyen Quang Ninh University of Industry, Vietnam Faculty of Electro-Mechanics, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Based on the actual survey, it is found that because the road along the reservoir bed that is dug in the thick coal bed when subjected to the impact of mining is deformed and destroyed, to keep the furnace bent, the brace will be bent and pulled, and the rock between the anchors is strongly lashed, destroying the reinforcing arch causing the furnace to collapse In their research, the authors focus on research to make new brace that enhance the ability to work with anchors and anchors, keeping the furnace stable Through a comprehensive analysis of the constraints of the existing tie rod, It is proposed that the new brace bears a horizontal cross section of JW, using ANSYS software to test the JW brace performance The results show that the JW brace meets the requirements, overcome the limitations of the brace is used The results of this study may be a reference for scientists in the design and construction of brace ... nghiên cứu chế tạo giằng vừa có khả chịu lực cao vừa phát huy khả gia cố khối đá chống giữ phối hợp neo cho đường lò dọc vỉa đào bám trụ vỉa than dày, tạo đồng cho hệ thống chống giữ neo nhằm đảm... than dày, có áp lực lớn yêu cầu giằng cao Thực tế khảo sát cho thấy, đường lò chống neo nước ta đường lò đào đá cứng không sử dụng giằng Tuy nhiên, chống đường lò dọc vỉa 45 đào bám trụ vỉa than. .. neo, làm tăng độ cứng vòm gia cường, giảm độ uốn võng lò Phân tích đề xuất giằng hợp lý chống giữ đường lò dọc vỉa 3.1 Phân tích đề xuất chế tạo giằng hợp lý Do đường lò dọc vỉa đào bám trụ vỉa