Thiết kế kết cấu chống trên cơ sở phân tích dịch chuyển

Bài viết Thiết kế kết cấu chống trên cơ sở phân tích dịch chuyển đưa ra một số kết quả nghiên cứu thiết kế kết cấu chống, trên cơ sở phân tích dịch chuyển của biên đường lò, phối hợp sử dụng chương trình Phase2 và đo dịch chuyển trong thực tế.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 49, 01/2015, tr.65-71 THIẾT KẾ KẾT CẤU CHỐNG TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH DỊCH CHUYỂN PHẠM VĂN THƯƠNG, NGUYỄN ĐÌNH THỊNH, NGUYỄN CHÍ TRƯỞNG, Cơng ty than Dương Huy - TKV NGUYỄN QUANG PHÍCH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bài viết giới thiệu số kết nghiên cứu thiết kế kết cấu chống, sở phân tích dịch chuyển biên đường lò, phối hợp sử dụng chương trình Phase2 đo dịch chuyển thực tế Thơng qua phân tích tham số Phase2 cho phép xây dựng quy luật biến đổi địa học khối đá xung quanh đường lò vùng Quảng Ninh Kết hợp kết mô với kết đo đạc dịch chuyển xây dựng mối quan hệ giá trị dịch chuyển ban đầu (dịch chuyển lắp dựng kết cấu chống), dịch chuyển lớn biên lò (khi khơng có kết cấu chống), dịch chuyển trạng thái cân (dịch chuyển trạng thái cần áp lực phản lực khối đá kết cấu chống) với tham số học hình học độ bền nén đơn trục đá, ứng suất nguyên sinh chiều rộng đường lò Trên sở kết nhận được, kết hợp với kết nghiên cứu khả chịu lực khung chống thép, cho phép lựa chọn thiết kế khung chống thép hình vòm hợp lý Ngày nay, nghiên cứu lí thuyết, Đặt vấn đề Cho đến nay, cơng trình ngầm khai phương pháp số cho phép ý thác mỏ quy hoạch, thiết kế theo nhiều yếu tố khác nhau, ảnh hưởng đến toán quy định, hướng dẫn hành tương ứng với biên, hình thành xây dựng cơng trình điều kiện địa chất, địa học, nhận từ ngầm khai thác hầm lò Các phương pháp số tài liệu địa chất tham số học cho phép thực phân tích tham số, nghĩa đá, khối đá Trong thiết kế có kết hợp nghiên cứu q trình xảy với biến với kinh nghiệm từ thiết kế, thi công nước động tham số đầu vào Cũng thế, ta Tuy nhiên, mơi trường địa chất vốn phân tích tham số phương pháp số phức tạp, hình thành từ hàng triệu năm, bị coi “thí nghiệm ảo” Bằng biến đổi trình nội, ngoại sinh khác cách nhận quy luật ảnh hưởng nhau, kết cấu chống cần điều tham số đầu vào (đặc biệt tham chỉnh cho phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể số điều kiện địa chất, địa học) đến Trên sở kết nghiên cứu học trình, tượng cần nghiên cứu đá, thấy rằng, biến động địa chất, Phối hợp kết đo đạc mô địa học phản ánh qua biểu số có nhận định đầy đủ khối đá xung quanh khơng gian ngầm Ngồi biểu khối đá xây dựng cơng trình tượng phá hủy, khó nhận biết sâu ngầm khai thác mỏ Bài viết giới thiệu khối đá, dịch chuyển biên hầm, lò kết nghiên cứu kết hợp mô số, thơng tượng dễ dàng quan trắc được, chí qua phân tích tham số dựa điều kiện địa số trường hợp cảm nhận Từ chất, địa học mỏ hầm lò vùng Quảng cho thấy, quan trắc đo dịch chuyển cho phép Ninh, với kết đo dịch chuyển để xây dựng có nhận định khách quan biến đổi mối tương quan dịch chuyển biên học, hậu xảy khối đá đường lò với yếu tố ảnh hưởng bản, Tuy nhiên, đo dịch chuyển đòi hỏi nhiều từ cho phép đề xuất phương pháp lựa thời gian nhân lực chọn, thiết kế kết cấu chống 65 66 5R R 1 5R 5R 5R Sau đào đường lò, điều kiện cân tự nhiên khối đá bị phá vỡ, có biến đổi vật chất, cụ thể phận nhận truyền tải trước bị lấy Trong khối đá hình thành trạng thái học dẫn đến phá hủy không, tùy thuộc vào tương quan “lực tác dụng” khả nhận tải khối đá [1] Những biến đổi trạng thái ứng suất gây dịch chuyển biến dạng khối đá, với xu thể dịch chuyển phía khoảng trống Để hạn chế biến dạng ngăn ngừa đá bị phá hủy sập lở vào đường lò thiết phải lắp dựng kết cấu chống, khối đá ổn đinh Giữa kết cấu chống khối đá vây quanh có tác động tương hỗ Nếu khơng sử dụng kết cấu chống linh hoạt, kết cấu chống hết độ linh hoạt kích thước, dịch chuyển lớn, kết cấu chống chịu áp lực lớn Trong thực tế, kết cấu chống thiết kế trước thi công, cần điều chỉnh thi công Đo dịch chuyển để xác định áp lực không thực Các phương pháp đo áp lực tốn kém, đến chưa áp dụng rộng rãi vào Việt Nam Cũng việc đánh giá áp lực khơng thực thông qua đo trực tiếp từ đầu đo áp lực (áp lực kế, tế bào áp lực) đầu đo biến dạng (sen-sơ biến dạng) Xuất phát từ giả thiết kết cấu chống khối đá biến dạng, dựa vào kết đo dịch chuyển “độ cứng” kết cấu chống để suy áp lực đá biến dạng, hay “áp lực thực sự” [2] Biểu thức xây dựng Belaenco Nga Otto Mohr Đức vào năm 1954 [3,4] sau: U(q) = U0 + U(q), (1) đó: U(р) - chuyển vị khối đá đến thời điểm thiết lập cân tĩnh hệ “kết cấu chống-khối đá”; U0 – chuyển vị ban đầu khối đá từ thời điểm khai đào đến thời điểm lắp dựng kết cấu chống vào trạng thái làm việc; U(q)- chuyển vị biên kết cấu chống đến thời điểm thiết lập cân tĩnh hệ “kết cấu chống-khối đá”, phụ thuộc vào điều kiện địa chất, tính chất địa học đá khối đá [6] q- phản lực kết cấu chống, áp lực đá tác dụng lên kết cấu chống Trên sở đó, tốn mô xây dựng dựa theo điều kiện mỏ than hầm lò Quảng Ninh, sử dụng chương trình số PHASE2 Khối đá đơn giản hóa, thơng qua hệ số giảm bền cấu trúc, hệ số ý tính lưu biến, hệ số ý giảm bền tác động nước…[7,8,9] Sơ đồ tốn mơ số, với điều kiện, tham số sử dụng để phân tích tham số, thể hình Các tham số hình học học sử dụng giao động khoảng biến thiên sau: - Tiết diện đào Sđ = 13  18 m2 - Chiều sâu đặt đường hầm H= 300  600 m - Cường độ kháng nén đơn trục n = 2050 MPa Н Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu mơ Hình Mơ hình tính tốn Một số kết nghiên cứu 3.1 Phân tích q trình biến đổi học Phase2 Các tốn mơ phần mềm Phase theo mơ hình 1, thực cách thay đổi thông số đầu vào Các thông số địa học khối đá độ bền nén đơn trục n, mô dun biến dạng E, lực dính kết C, trọng lượng thể tích , góc ma sát , góc dãn nở , hệ số Possion , độ bền dư o, hệ số áp lực ngang k lựa chọn từ [7] kết hợp xử lý theo [6] Tổng thể tiến hành phân tích 48 tốn khác [10] Để theo dõi trình biến dạng phá hủy khối đá, toán biên tiến hành khảo sát 10 trường hợp với giá trị áp lực   (MPa ) khác từ bên đường lò (phản lực kết cấu chống) Cường độ phản lực chọn giảm dần từ cường độ ứng suất nguyên sinh đến Trên hình ví dụ kết tính cho biểu đồ phân bố ứng suất  khối đá xung quanh đường lò tiết diện 13m2 , độ sâu 300m, đá có độ bền nén 50 MPa Khoảng cách kể từ biên đường lò q=p q=0,4p q=0,8p q=0,04p q=0,7p q=0,02p q=0,6p q=0,01p q=0,5p q=0 Hình Biểu đồ phân bố ứng suất  khối đá xung quanh đường lò độ sâu 300m, tiết diện 13m2, độ bền nén đá 50 Mpa theo mặt cắt 1-1 hình Hình cho thấy, với q đủ lớn, khối đá có  Н  U о 10 Н biểu đàn hồi, thành phần ứng suất  giảm   5,748  8,238.  0,672 (2) Вđ N dần từ biên cơng trình theo khoảng cách vào sâu  N  khối đá; với q đủ nhỏ (trong trường hợp đó:  - trọng lượng thể tích đá, q=0,4p=0,4H) khối đá xung quanh МN/m3; Н - chiều sâu đặt đường lò, m; N - độ đường lò xuất vùng phá hủy Với bền nén đơn trục đá, MPа; Вđ - chiều rộng q  p   H , đương nhiên mặt cắt ngang đào đường lò, m theo trục nằm ngang ứng suất  không đổi Cũng sở tập hợp liệu nhận Từ kết mô nhận từ nhiều từ mơ hình mơ phỏng, cho phép thành mơ hình, với thay đổi thông số theo sơ lập biểu thức chuyển vị lớn biên đồ hình 1, kết luận chuyển vị biên Uм = f (, Н, N, Nd , Вđ) (với sai số không ban đầu đến thời điểm lắp đặt kết cấu chống (U0 vượt ±18,0%): xác định tương đối xung quanh đường U м 10 Н hầm chưa xuất vùng biến dạng không đàn hồi  А  В С, (3) hay dẻo) phụ thuộc vào trạng thái làm việc, không В N vượt 43 mm, chuyển vị biên lớn đến thời điểm thiết lập trạng thái cân tĩnh đó: А = -5,8; В = 254,17; hệ “kết cấu chống-khối đá” đạt tới С hệ số phụ thuộc vào độ bền đất đá bao 810 mm Từ số liệu nhận cho phép thiết quanh đường lò; С = 11,2 N = 20 МPа; lập biểu đồ Uo/Вđ Н/N (hình 3), С = 14,4 N = 30 Мpа; С = 17,9 theo biểu thức (2): N = 40 МPа; С = 18,5 N = 50 Мpа 67 U 10 / Bd  H / N Hình Biểu đồ quan hệ chuyển vị biên ban đầu khối đá xung quanh đường lò Trên hình ví dụ kết tính thành lập biểu đồ đặc tính biến dạng của khối đá, Н = 300 – 600 m, N = 20 МPа, Sđ=13 m2 q, MPa Hình Biểu đồ quan hệ đặc tính chuyển vị-phản lực kết cấu chống biên đường lò Н = 300 – 600 m, N = 20 МPа, Sđ=13 m2 3.2 Nghiên cứu đo dịch chuyển mỏ than Quảng Ninh Tại mỏ than vùng Quảng Ninh, thường sử dụng loại khung chống thép lòng máng Nga, chế tạo Việt nam, thép Anh Khánh, theo dạng thép hình Nga Khung chống thép lòng máng dạng ba đoạn, hai khớp có độ linh hoạt định theo kích thước, trình chịu tải khung thu nhỏ dần theo dịch chuyển áp lực từ phía khối đá Quá trình xảy trình dừng, hệ kết cấu-khối đá tiến đến trạng thái cân Q trình khơng dừng, trạng thái cân khơng hình thành Trạng thái hình thành khả nhận tải kết cấu chống không tương xứng với dịch chuyển áp lực đá; q trình sử dụng, đường lò chịu thêm tác động công tác khai thác; xuất thêm tác động đới phá hủy, nước, khí, mà khơng thể từ ban đầu Trong trường hợp đó, dịch chuyển khối đá tăng nhanh, 68 dẫn đến phá hủy, không theo dõi điều chỉnh kết cấu chống cho phù hợp Do dịch chuyển, áp lực khối đá hình thành quan hệ tương tác kết cấu chống khối đá, nên đo dịch chuyển để xác định áp lực đá, kết hợp với kết mô phương pháp số Xuất phát từ nhận định giả thiết này, tiến hành đo, theo dõi dịch chuyển đường lò khác nhau, kết cấu chống khối đá đạt trạng thái cân tĩnh, nghĩa dịch chuyển khơng phát triển tiếp, hay nói cách khác, dịch chuyển có xu tiệm cận giá trị định Trên hình cho thấy nguyên tắc làm việc giãn kế hai đầu đo; hình ví dụ sơ đồ bối trí đo dịch chuyển giãn kế Bảng số liệu đo hình biểu đồ dịch chuyển thời gian, nhận từ kết đo, khung chống- khối đá đạt đến trạng thái cân bng tnh kết cấu trạm đo dịch động Vị trí ®Ỉt mèc ®iĨm B L=2700 Đá sét kết N=26MPa èng trụ nhựa Vị trí đặt mốc điểm A L=1300 2.0 Kẹp chì dây cáp định vị th-ớc A 3.0 Th-ớc ®o A 4.0 5.0 6.0 7.0 D©y dÉn 4.0 5.0 Th-íc ®o B 6.0 Lò dọc vỉa 7.0 Bđ= 16m2 Kẹp chì dây cáp định vị th-ớc B Dây dẫn A Lò xun vỉa B Hình Giãn kế hai đầu đo với thước đo màu Hình Sơ đồ đường lò, mặt cắt vị trí đo Bảng Kết đo dịch chuyển Hiệu số N1-N3 N2-N3 15 149 100 30 175 129 45 199 157 Chu kỳ đo, t ngày đêm 60 75 90 105 206 213 223 226 164 172 182 183 120 227 184 150 230 186 t ngày đêm Hình Dịch chuyển xung quanh đường lò Từ kết đo điều kiện thực tế mỏ, sử dụng phương pháp xử lý thống kê, cho phép xây dựng mối quan hệ dịch chuyển trạng thái cân tĩnh khối đá biên lò với tham số học, hình học đặc trưng [10] sau: 69 U (q).10 Н  D  F С, (4) В N đó: D = -3,1; F = 222,48; С – hệ số phụ thuộc vào độ bền đất đá bao quanh đường lò, С = 11,2 n = 20 МPа; С = 14,4 n = 30 МPа С = 17,9 n = 40 МPа; С = 18,5 n = 50 Мpа 3.3 Ví dụ áp dụng thiết kế khung chống: Sau ví dụ áp dụng kết nghiên cứu để xác định thông số khung chống, cho trường hợp đường lò đào qua loại đá Các thơng số cụ thể đường lò loại đá tập hợp bảng 2: Bảng Các thơng số đường lò loại đá TT Tên thông số Giá trị Diện tích tiết diện sử dụng tiết diện đào – Ssd, Sđ, m 10,4; 13,0 Chiều sâu đặt đường lò – Н, m 300 Hệ số kiên cố f đá theo phân loại Protodiakonop f Mô đun biến dạng khối đá, Е, МPа 1509; 10061 210 430 Góc ma sát khối đá, , độ Lực dính kết – С, Мpа 0,4 1,25 0,35 0,26 Hệ số Possion,  0,024 0,0255 Trọng lượng thể tích, , МN/m 1) Xác định chuyển vị ban đầu chuyển chuyển vị q trình đóng kín khe hở kết cấu chống Với kết cấu chống vị thời gian khối đá đường lò Dịch chuyển đàn hồi trung bình U0 khung thép SVP U2 = 0; U3(q) – chuyển vị khối đá có f=2 f=5, điều kiện mỏ hầm xác định độ cứng kết cấu chống, xác định lò vùng Quảng ninh, xác định từ biểu theo công thức: U3(q) = q/k0, với k0– hệ số độ thức (2), nhận giá trị sau cứng khung chống, đo МPа/m, phụ thuộc vào loại kết cấu chống mật độ hay - Khi f =  U0 = 11 мм bước chống chúng [10] Như - Khi f =  U0 = мм Phần chuyển vị lớn xác định theo trường hợp có U(q) = U3(q) 2)Xác định tải trọng lên kết cấu chống biểu thức (3), hiệu số dịch chuyển lớn Với khung chống lựa chọn SVP 22, dịch chuyển đàn hồi dịch chuyển theo thời sở kết thí nghiệm phòng gian Từ nhận được: - Khi f =  dịch chuyển lớn theo khung thép [11], khung thép SVP-22 có (3)Uм-2 = 328 mm → dịch chuyển theo thời độ linh hoạt 240 mm khả chịu lực 250 kN/khung [10], xác định tải gian Uм-2 - Uо-2 = 317 mm - Khi f =  dịch chuyển lớn theo trọng hay áp lực tác dụng lên khung chống theo (3) Uм-5 = 70 mm → dịch chuyển theo thời gian quan hệ tỷ lệ áp lực dịch chuyển Cụ thể trạng thái cân bằng, áp lực hay tải trọng tính Uм-5 - Uо-5= 68 mm Dịch chuyển trạng thái cân tĩnh cho mét lò là: - Khi f = 5, U(q) = 59 mm, nhận được xác định theo (4) nhận kết quả: q5 = 250*59/240 = 62 kN/m - Khi f =  U(q) = 289 mm - Khi f = 2, U(q) = 289 mm, cho - Khi f =  U(q) = 59 mm q2 = 250*289/240 = 301 kN/m Theo [3] có: U(q) = U1 + U2 + 3) Lựa chọn mật độ khung chống U3(q), với U1 – chuyển vị tính tốn đến vật Mật độ khung chống linh hoạt xác liệu chèn hay vữa chèn lèn chặt lấp định thông qua số khung chống cho 1m lò, dựa khoảng trống Trong trường hợp U1=0; U2 – 70 vào tải trọng xác định cho 1m lò khả chịu tải tối đa khung chống Từ có: q 62 n5  5n   0,25 khung / m N s 250 q 301 n2  5n   1,25 khung / m N s 250 Mật độ khung chống xác định theo giá trị lớn hơn, gần với giá trị tính tốn, tức f = 2, n2 = 1,34 khung/mét (bước chống 0,75m); f = 5, n5 = 1,0 khung/mét (bước chống 1m); Các kết từ ví dụ tính cho thấy hồn tồn xác định áp lực đá tác dụng lên khung chống, xác định mật độ khung chống, thông qua kết đo dịch chuyển, kết hợp với tính chất cơng nghệ khung chống (khả chịu tải, độ cúng, thông số độ linh hoạt…) biểu thức xây dựng thực nghiệm kết hợp với mô số Ví dụ tính thơng số cơng nghệ tính tốn chọn theo kết nghiên cứu Nga, khung chống mỏ hầm lò có xuất xứ từ Nga, chế tạo theo quyền Nga Kết luận kiến nghị Dịch chuyển khối đá sau đào, chống giữ, gia cố xây dựng cơng trình ngầm đại lượng cho phép đo đơn giản Nhiều dụng cụ phương pháp đo áp dụng Giãn kế công cụ đo sử dụng nước ta Dịch chuyển đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, hay nói cách khác phản ánh ảnh hưởng nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm yếu tố điều kiện địa chất, địa hình, yếu tố địa học, yếu tố công nghệ Ở đây, dịch chuyển dự báo thơng qua phân tích tham số chương trình số, với vai trò “phòng thí nghiệm ảo” Kết hợp kết phân tích tham số phương pháp số với kết đo thực tế, sử dụng phương pháp xử lý thống kê, xác lập mối quan hệ gần đúng, đại diện cho quy luật xảy vùng định Từ có sở phục vụ nhiệm vụ thiết kế ban đầu, giai đoạn quy hoạch, thiết kế cho đường lò điều kiện tương tự Đồng thời qua nhận giá trị giới hạn dịch chuyển, cho phép dự báo khả tai biến địa chất hay phá hủy xảy hay khơng Trên sở kết nghiên cứu cho thấy cần tăng cường sử dụng phương pháp số để nghiên cứu dự báo trình biến đổi học khối đá, cụ thể giai đoạn thiết kế, để dự báo tai biến địa chất; cần tăng cường đo đạc, quan trắc để cảnh báo khả gặp điều kiện địa chất bất thường, dẫn đến tai biến địa chất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quang Phích, 2007 Cơ học đá Nhà Xuất Xây dựng Hà Nội [2] Nguyễn Quang Phích, 1999 Tải trọng áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu cơng trình ngầm Bài giảng cao học ngành Xây dựng cơng trình ngầm mỏ Đại học Mỏ-Địa chất [3] Баклашов И.В, Картозия Б.А Механика подхемных сооружений и конструкций крепей – Москва: Недра, 2012 -543 с [4] Nguyễn Quang Phích, 1992 Cơ học đá Đại học Mỏ-Địa chất [5] Rocscience Inc., 2006-2011 Phase2 Tutorial [6] Rocscience Inc., 2009 Roclab 1.0 Tutorial [7] Ngô Văn Sỹ nnk Nghiên cứu bổ sung tổng hợp tiêu lý đá cho mỏ lộ thiên, hầm lò vùng Quảng Ninh phục vụ cơng tác khoan, nổ mìn, điều khiển áp lực mỏ, bờ mỏ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH Bộ Công Nghiêp Hà Nội10/9/2002 [8] Quyết định Phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030 Thủ tướng phủ số 60/QĐ-TTg Hà Nội 2012 Tr – [9] Tổng hợp tiêu kinh tế kỹ thuật năm 2010-2013 Tập đoàn CN Than-KS Việt nam [10] Фам Ван Тхыонг Обоснование параметров крепей горизонтальных горных выработок в сложных геомеханических условиях Москва, 2013 -173 с [11] Франкевич Г.С Крепление выработок в сложных горно-геологических условиях –М.: МГГУ, 1997 – 280 С (xem tiếp trang 76) 71 SUMMARY Support Design based on the Displacement Analysis Pham Van Thương, Nguyen Dinh Thinh, Nguyen Chi Truong, Duong Huy Coal Mine Nguyen Quang Phich, Hanoi University of Mining and Geology The geomechanical processes in rock mass around the drifts in the Coal Mining Region Quang Ninh are analysed by using Phase and parametric studies Combining the simulation results with the displacement mearsurement results in different coal mines allows building of relationships between the boundary displacement at the support installing time, the maximum boundary displacement of the drifts, the boundary displacement by equilibrium state and the relevant geomechanical and geometric parameters, like UCS, the in-situ stress and the drift-span Subject to all regulations, the steel arch support can be choosed and design on the basis of obtains relations 72 ... ổn đinh Giữa kết cấu chống khối đá vây quanh có tác động tương hỗ Nếu không sử dụng kết cấu chống linh hoạt, kết cấu chống hết độ linh hoạt kích thước, dịch chuyển lớn, kết cấu chống chịu áp... lên kết cấu chống biểu thức (3), hiệu số dịch chuyển lớn Với khung chống lựa chọn SVP 22, dịch chuyển đàn hồi dịch chuyển theo thời sở kết thí nghiệm phòng gian Từ nhận được: - Khi f =  dịch chuyển. .. việc; U(q)- chuyển vị biên kết cấu chống đến thời điểm thiết lập cân tĩnh hệ kết cấu chống- khối đá”, phụ thuộc vào điều kiện địa chất, tính chất địa học đá khối đá [6] q- phản lực kết cấu chống,