Nghiên cứu nguyên lý làm việc và đề xuất giải pháp nhằm nâng cao mức độ ổn định tải trọng của neo ống hở (split set bolt) khi chống giữ trong các đường lò của mỏ than mạo khê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN VĂN PHÚ NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH TẢI TRỌNG CỦA NEO ỐNG HỞ (SPLIT SET BOLT) KHI CHỐNG GIỮ TRONG CÁC ĐƯỜNG LÒ MỎ THAN MẠO KHÊ Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình ngầm Mã số: 60580204 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Minh Đức HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Trần Văn Phú MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG CÁC LOẠI NEO TRONG CHỐNG GIỮ CÁC CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1.1 Tổng quan công tác thi công đào, chống giữ cơng trình ngầm mỏ neo kết hợp với kết cấu chống tích hợp giới 1.1.1: Neo học: 1.1.2 Neo dính kết neo cáp 1.1.3 Neo kết hợp 12 1.2 Tình hình sử dụng neo ống hở (Split set bolt) Việt Nam [1] 14 1.3 Sự phát triển neo ống hở (Split set bolt) kết cấu chống kết hợp 15 1.3.1 Neo ống hở (Split set bolt) 15 1.3.2 Kết cấu chống hỗn hợp neo ống hở với bê tông phun, neo ống hở với lưới thép 19 1.3.3 Chống hỗn hợp neo ống hở kết hợp với lưới thép 21 1.4 Nhận xét điều kiện áp dụng neo 23 CHƯƠNG HỆ THỐNG CÁC ĐƯỜNG LÒ XUYÊN VỈA CỦA MỎ THAN MẠO KHÊ, ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG KẾT CẤU CHỐNG 25 2.1 Mỏ than Mạo Khê đặc điểm chung địa chất 25 2.1.1 Vị trí địa lý 25 2.1.2 Địa hình, sơng suối giao thông 26 2.1.3 Khí hậu 27 2.2 Hệ thống đường lò xuyên vỉa mỏ than Mạo Khê trạng kết cấu chống 28 2.2.1 Hệ thống đường lò xuyên vỉa mỏ than Mạo Khê 28 2.2.2 Các kết cấu chống áp dụng mỏ Mạo Khê – tình trạng sau lắp dựng 30 2.3 Đặc điểm chung điều kiện địa chất quanh đường lò xuyên vỉa 31 2.3.1 Điều kiện địa chất thủy văn 31 2.3.2 Điều kiện địa chất cơng trình 33 2.4 Đặc điểm điều kiện địa chất khu mỏ mức -80 37 2.4.1 Đặc điểm địa chất công trình khu mỏ mức -80 37 2.4.2 Đặc điểm địa chất thuỷ văn [2] 39 2.5 Nhận định trạng kết cấu chống hướng giải 40 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH TẢI TRỌNG CỦA NEO ỐNG HỞ (SPLIT SET BOLT) KHI CHỐNG GIỮ TRONG CÁC ĐƯỜNG LÒ MỎ THAN MẠO KHÊ 42 3.1 Đánh giá mức độ ổn định khối đá 42 3.2 Phân loại chất lượng khối đá theo Bieniawski - phương pháp RMR 44 3.3 Phân tích tính tốn kết cấu chống neo, kết hợp lưới thép, bê tơng phun cho đường lị xuyên vỉa mỏ than Mạo Khê 49 3.3.1 Nguyên lý neo khối đá 49 3.3.2 Các phương pháp thiết kế neo 54 CHƯƠNG IV TÍNH TỐN LẬP HỘ CHIẾU CHỐNG GIỮ ĐƯỜNG LÒ DỌC VỈA ĐÁ VỈA 10 CÁNH BẮC MỨC -80 MỎ THAN MẠO KHÊ BẰNG NEO ỐNG HỞ (SPLIT SET BOLT) 62 4.1 Tính tốn, xác định chiều cao vòm cân tự nhiên đường lò dọc vỉa đá vỉa 10 cách bắc mức -80 mỏ than Mạo Khê 62 4.1.1 Chiều cao vòm sụt lở 62 4.1.2 Tính theo khả chịu lực neo 63 4.2 Xác định thông số hộ chiếu chống giữ neo ống hở (split set bolt) 63 4.2.1 Tính chiều dài tồn neo 63 4.2.2 Tính mật độ neo 63 4.2.3 Tính khoảng cách neo 64 4.2.4 Lưới thép 65 4.2.5 Xác định thông số bê tông phun 65 4.3 Thiết bị, phụ kiện phục vụ thi công neo ống hở 70 4.3.1 Công tác khoan chống neo ống 70 4.3.2 Công tác phun bê tông 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật Neo ống hở 15 Bảng 1.2 Đặc điểm kỹ thuật neo ống hãng Jennmar giới thiệu 18 Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật neo ống hãng International Rollform Inc sản xuất giới thiệu 18 Bảng 2.1 Ranh giới mỏ theo hệ tọa độ nhà nước 1972 [1] 25 Bảng 2.2 Ranh giới mỏ theo hệ tọa độ quốc gia VN -2000 [1] 26 Bảng 2.3 Thống kê lượng mưa lớn tháng khu mỏ mạo khê 32 Bảng 2.4 Tổng hợp tiêu lý đá khu mỏ Mạo Khê 35 Bảng 2.5 Bảng tổng hợp tiêu lý đá 38 Bảng 2.6 Bảng tổng hợp cơng trình vỉa 10 Cánh Bắc 40 Bảng 3.1 Bảng tính tốn hệ số ổn định đường lò 43 Bảng 3.2 Bảng phân loại mức độ ổn định đường lò theo VNIMI 44 Bảng 3.3 Các tham số phân loại theo Bieniawski 1973 45 Bảng 3.4 Ảnh hưởng vị trí khe nứt (đường phương, góc dốc) thi cơng đường hầm 47 Bảng 3.5 Các nhóm khối đá 47 Bảng 3.6 Ý nghĩa nhóm khối đá 1973 sửa đổi 1978 47 Bảng 4.1 Kết tính tốn thơng số neo 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1: Cấu tạo, hình dạng neo nêm chẻ Hình 1.2: Cấu tạo nêm trượt có sử dụng ống lắp ráp Hình 1.3: Cấu tạo nêm trượt không sử dụng ống lắp ráp Hình 1.4: Cấu tạo neo bê tơng cốt thép Hình 1.5 Cấu tạo neo chất dẻo cốt thép 10 Hình 1.6: Cấu tạo neo cáp 11 Hình 1.7 Cấu tạo neo ống phồng Swellex 12 Hình 1.8 Cấu tạo neo linh hoạt 13 Hình 1.9 Nguyên tắc làm việc ống thân neo với đá khối đá 16 Hình 1.10 Cấu tạo thơng số neo ống hở 17 Hình 1.11 Lưới thép liên kết kiểu mắt xích 22 Hình 1.12 Lưới thép hàn 23 Hình 2.1 Hệ thống đường lị xuyên vỉa mỏ than Mạo Khê [1] 29 Hình 2.2 Mặt cắt dọc đoạn lị vỉa 10 CB mức -80 37 Hình 3.1 Phân loại khối đá theo Bieniawski (1973) 48 Hình 3.2 Sơ đồ tạo lớp vỏ mỏng 50 Hình 3.3 Sơ đồ lý thuyết treo chốt 50 Hình 3.4 Sơ đồ tính theo lý thuyết dầm nhận tải 52 Hình 3.5 Hiệu ứng liên kết (neo chốt) 52 Hình 3.6 Nguyên lý xếp chồng vùng nén ép neo bị kéo căng 53 Hình 3.7 Các dạng liên kết vùng khối đá nứt nẻ, phá hủy tạo thành vòm nhận tải 53 Hình 3.8 Ví dụ dạng phá hủy sơ đồ cắm neo 56 Hình 3.9 Ví dụ sơ đồ tính cho tồn hệ thống neo 56 Hình 3.10 Tốn đồ phân tích hiệu ứng dầm nhận tải theo Panek [7] 58 Hình 4.1 Bố trí mạng neo tùy theo mặt phân lớp theo Maidl 1994 66 Hình 4.2 Neo lắp nghiêng với vách 67 Hình 4.3 Neo lắp vng góc với vách 67 Hình 4.4 Trắc dọc Lò dọc vỉa đá vỉa 10 Cánh Bắc mức -80 đoạn qua Cát kết chống neo ống hở (Split set bolt) 68 Hình 4.5 Mặt cắt Lị dọc vỉa đá vỉa 10 Cánh Bắc mức -80 đoạn qua Cát kết chống neo ống hở (Split set bolt) 68 Hình 4.6 Trắc dọc Lị dọc vỉa đá vỉa 10 Cánh Bắc mức -80 đoạn qua Bột kết chống neo ống hở, lưới thép kết hợp bê tơng phun 69 Hình 4.7 Mặt cắt Lò dọc vỉa đá vỉa 10 Cánh Bắc mức -80 đoạn qua Bột kết chống neo ống hở, lưới thép kết hợp bê tông phun 70 Hình 4.8 Thi cơng lắp đặt neo ống 72 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật ngành mỏ, kỹ thuật công nghệ đào, chống giữ cơng trình ngầm mỏ có bước phát triển vượt bậc Trong thực tiễn xây dựng cơng trình ngầm có hai vấn đề quan tâm đào chống Trong đó, cơng tác đào phải đảm bảo thuận lợi tối đa cho công tác chống giữ ngược lại công tác chống giữ phải đảm bảo ổn định tốt cơng trình ngầm, có hiệu kinh tế - kỹ thuật cao, không gây cản trở phải tạo suất cho công tác đào Đào chống thi cơng cơng trình ngầm hai vấn đề có mối quan hệ hữu cơ, khơng thể tách rời Hiện có hai quan niệm cơng tác chống giữ cơng trình ngầm sử dụng rộng rãi chống đỡ bị động chống đỡ chủ động Chống giữ bị động hình thức sử dụng kết cấu chống để chống lại chuyển vị, biến dạng đất đá bao quanh cơng trình ngầm mỏ Chống giữ chủ động huy động đá khối đá tham gia mang tải Các kết cấu chống đỡ bị động thường sử dụng nhiều vật liệu (có kích thước lớn) giá thành xây dựng lớn làm tăng giá thành đầu tư Các kết cấu chống đỡ chủ động thường sử dụng loại kết cấu chống nhẹ neo, bê tơng phun có khả huy động đá khối đá chống đỡ lại biến dạng chuyển vị đá quanh đường lò Do tận dụng khả mang tải vốn có đất đá xung quanh cơng trình ngầm nên kết cấu chống dạng thường sử dụng vật liệu, nhẹ tiết kiệm chi phí Các kết cấu chống giữ mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh chủ yếu kết cấu chống đỡ mang tính bị động như: khung chống thép, bê tông, bê tông cốt thép hay khung chống gỗ Kết cấu chống giữ chủ động neo, neo kết hợp bê tông phun áp dụng rộng rãi giới lĩnh vực xây dựng công trình ngầm mỏ, tính linh hoạt, phạm vi áp dụng rộng, thi công dễ dàng có khả nâng cao tốc độ thi cơng Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu khả sử dụng kết cấu chống chủ động thi cơng đào chống đường lị mỏ điều kiện cho phép Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu đường lị đá mỏ than khai thác cơng nghệ hầm lò Phạm vi nghiên cứu: Chống giữ đường lò dọc vỉa mức - 80 mỏ than Mạo Khê neo ống hở (Split set bolt) Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan loại neo sử dụng đường lò Việt Nam giới Nghiên cứu nguyên lý làm việc đề xuất sử dụng neo ống hở (split set bolt)để chống giữ đường lị mỏ Tính tốn hộ chiếu chống neo áp dụng cho số đoạn lò đường lò xuyên vỉa mức -80 mỏ than Mạo Khê Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp: - Nghiên cứu lý thuyết, - Thu thập tài liệu, phân tích, đánh giá tính tốn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn + Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng neo ống hở để chống giữ an tồn, hiệu đường lị đá có điều kiện địa chất mỏ phù hợp Đề xuất biện pháp tính tốn xây dựng hộ chiếu chống giữ phù hợp đường lò xuyên vỉa mức -80 mỏ than Mạo Khê + Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng neo ống hở (Split set bolt ) thay kết cấu chống giữ khác điều kiện địa chất mỏ phù hợp 62 CHƯƠNG IV TÍNH TỐN LẬP HỘ CHIẾU CHỐNG GIỮ ĐƯỜNG LỊ DỌC VỈA ĐÁ VỈA 10 CÁNH BẮC MỨC -80 MỎ THAN MẠO KHÊ BẰNG NEO ỐNG HỞ (SPLIT SET BOLT) 4.1 Tính tốn, xác định chiều cao vịm cân tự nhiên đường lò dọc vỉa đá vỉa 10 cách bắc mức -80 mỏ than Mạo Khê 4.1.1 Chiều cao vòm sụt lở Chiều cao vịm sụt lở tính theo công thức Tximbarevic [15]:  90    a  h1 tg    b  nv f ,m (4.1) Trong đó: a - Bán chiều rộng đườnglò, a =2,6 m; h1 - Chiều cao đường lị, h1 =3,44 m;  - Góc ma sát đá nóc, với đường lị xun vỉa -80, đoạn qua Cát kết  =320; đoạn qua Bột kết  =260 f - Hệ số kiên cố đất đá; với đường lò xuyên vỉa -80, đoạn qua Cát kết f = , đoạn qua Bột kết f = nv - Hệ số an tồn lị, với đường lò xuyên vỉa -80, đoạn qua Cát kết lấy nv = 1,25 đoạn qua Bột kết lấy nv = 1,3; Thay thông số vào (4.1) ta có: Chiều cao vịm sụt lở lị xun vỉa -80, đoạn qua Cát kết: b = 1,00m Chiều cao vòm sụt lở lò xuyên vỉa-80, đoạn qua Bột kết: b = 1,26m.Tính khả chịu lực neo 63 4.1.2 Tính theo khả chịu lực neo Khả chịu lực neo (PC) tính theo cơng thức [15]: PC = FC RK kLV (4.2) Trong đó: Fc - Tiết diện cốt neo, Fc = .R2 = 0,00038 m2; Rk - Khả chịu kéo thép neo,MPa; Với thép loại AII Rk = 270.106N/m2 klv - Hệ số làm việc neo, chọn klv = 0,85 Thay số vào (4.2) ta có: PC = 0,00038.270.106.0,85= 87196N = 87,196kN 4.2 Xác định thông số hộ chiếu chống giữ neo ống hở (split set bolt) 4.2.1 Tính chiều dài tồn neo Chiều dài neo tính theo cơng thức sau [15]: lN = b+1,5lz+lk , m (4.3) Trong đó: lz - Chiều dài khoá neo, chọn lz = 0,4m; lk - Chiều dài neo nhô mặt lộ, lk = 0,06m Điều kiện chiều dài neo: 1m