Nghiên cứu vật liệu polyme clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chốn giữ công trình ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN MẠNH KHẢI NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CƠNG TRÌNH NGẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN MẠNH KHẢI NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CƠNG TRÌNH NGẦM Chun ngành : Xây dựng cơng trình ngầm mỏ Mã số : 62.58.50.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Quang Phích HÀ NỘI - 2012 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học độc lập tơi, khơng chép nội dung Các số liệu kết Luận án trung thực có nguồn trích dẫn rõ ràng Tác giả luận án Nguyễn Mạnh Khải ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC BẢNG xiii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO 1.1 NEO CHỐNG GIỮ CƠNG TRÌNH NGẦM 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng neo giới 1.1.2 Neo xu hướng sử dụng vật liệu polyme-compozit chống giữ công trình ngầm mỏ Việt Nam 11 1.2 NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 15 1.2.1 Vật liệu polyme-clay nanocompozit 15 1.2.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ chế tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit Việt Nam 17 1.2.3 Khoáng sét bentonit 18 1.2.3.1 Cấu trúc khoáng sét bentonit 18 1.2.3.2 Một số tính chất hố lý khống sét bentonit 20 1.2.4 Polyme - nhựa 24 1.2.4.1 Nhựa polyester 25 1.2.4.2 Nhựa vinylester 26 1.2.4.3 Nhựa epoxy 27 1.2.4.4 Lựa chọn nhựa phụ gia sử dụng nghiên cứu luận án 28 1.2.5 Sợi gia cường 34 iii CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT NEO VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 39 2.1 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 39 2.1.1 Phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 39 2.1.2 Phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 39 2.1.3 Phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) 40 2.1.4 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR) 40 2.1.5 Phương pháp chế tạo 41 2.1.5.1 Phương pháp hữu hoá khoáng sét 41 2.1.5.2 Phương pháp chế tạo nhựa 41 2.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN 42 2.2.1 Khảo sát lựa chọn khoáng sét bentonit 42 2.2.1.1 Xác định dung lượng trao đổi cation 43 2.2.1.2 Xác định cấu trúc hình thái mẫu bentonit 43 2.2.2 Hữu hoá bentonit 47 2.2.3 Khảo sát khoáng sét bentonit sau hữu hoá 50 2.2.3.1 Dung lượng trao đổi cation sau hữu hóa 50 2.2.3.2 Hình thái cấu trúc sau hữu hóa 50 2.2.3.3 Quan sát cấu trúc bề mặt kính hiển vi điện tử quét (SEM) 53 2.2.4 Khảo sát phân tán claynano 55 2.2.4.1 Quan sát kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 55 2.2.4.2 Khảo sát cấu trúc epoxy-claynano nhiễu xạ tia X (RXD) 58 2.2.5 Kiểm tra tính chất lý nhựa 63 2.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO TỪ VẬT LIỆU EPOXY-CLAY NANOCOMPOZIT CỐT SỢI THUỶ TINH 68 2.3.1 Quy trình tạo mẫu 68 2.3.2 Khảo sát khả bám dính nhựa epoxy-claynano với sợi thuỷ tinh vật liệu polyme-claynanocompozit 69 2.3.3 Khảo sát phân bố sợi thủy tinh pha epoxy-claynano 71 2.3.4 Khảo sát khả chịu kéo vật liệu với tỷ lệ sợi khác 72 2.3.5 Khảo sát khả chịu cắt vật liệu với tỷ lệ sợi khác 74 2.3.6 Khảo sát tính bám dính neo với chất kết dinh dẻo 77 iv CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH NEO VÀ CHỐNG THỬ NGHIỆM 79 3.1 KHẢO SÁT, LỰA CHỌN, THIẾT KẾ, CHỐNG THỬ NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG 79 3.1.1 Điều kiện cơng trình, địa chất thủy văn 79 3.1.2 Cơ sở lựa chọn vỏ chống 82 3.1.2.1 Lựa chọn vỏ chống theo hệ số ổn định đất đá bao quanh đường lò 84 3.1.2.2 Lựa chọn vỏ chống theo tiêu phân loại khối đá quanh đường lò 85 3.1.3 Lựa chọn vỏ chống 89 3.1.4 Tính tốn lập hộ chiếu chống giữ đường lò 90 3.1.4.1 Tính chiều dài neo 91 3.1.4.2 Tính khả chịu lực neo 91 3.1.4.3 Lập hộ chiếu chống lị neo 92 3.1.4.4 Tính tốn, lựa chọn thơng số neo Lị dọc vỉa đá V.10 quay Đông mức +30 94 3.2 CHẾ TẠO THÀNH CỐT NEO EPOXY-CLAY NANOCOMPOZIT CỐT SỢI THỦY TINH ĐỂ CHỐNG THỬ NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG 95 3.3 CHỐNG THỬ NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG 96 3.4 THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA THANH NEO 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH BTCT : Bê tông cốt thép BTP : Bê tông phun CDCT : Chất dẻo cốt thép Clay : Khoáng sét DDAC : Didecyl dimethyl amonnium clorua DV : Dọc vỉa HCHB : Hữu hóa bentonit KCN : Khu công nghiệp KHCN : Khoa học công nghệ Mont : Montmorillonit NCS : Nghiên cứu sinh PCN : Polyme-clay nanocompozit TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TKV : Tập đồn Than Khống sản Việt Nam TNHH : Trách nhiệm hữu hạn V10 : Vỉa 10 ASTM : Hệ thống tiêu chuẩn Mỹ FTIR : Phổ hồng ngoại ISO : Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế Peak : Đỉnh, cao điểm RMR : Chất lượng đường hầm theo phương pháp phân loại khối đá Barton, Lien Lunde : Chỉ tiêu đánh giá ổn định khối đá Bieniewski RQD : Chỉ số chất lượng đá theo phân loại Deere SEM : Kính hiển vi điện tử quét TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua X(XRD) : Nhiễu xạ tia X nhiễu xạ tia Rơnghen K : Mốc đo chiều dài Q - Tunnel Quality vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Tỷ trọng đất đá  kN/m  độ Góc ma sát qui ước đá  - Hệ số độ bền lâu dài đất đá  - Hệ số poisson  Độ λ - Bước sóng tia X 1 - Hệ số áp lực hông 1 MPa Lực bám dính neo chất dẻo 2 MPa Lực dính kết chất dẻo đất đá Góc dốc vỉa than trung bình K kN/m2 Độ bền kéo trung bình đá n kN/m2 Độ bền nén đơn trục trung bình đá hơng o Độ a m b m Góc tạo mặt phẳng giới hạn áp lực tựa truyền xuống lớp đá trụ Khoảng cách neo, chiều rộng nửa đường lị dLK mm Chiều cao sụt lở nóc, chiều cao vòm phá huỷ, chiều cao vòm cân Đường kính lỗ khoan dN mm Đường kính cốt thép f - Hệ số kiên cố trung bình đất đá, hệ số kiên cố đất đá bao quanh đường lị Diện tích tiết diện cốt thép Fc mm2 H m Chiều sâu trung bình đường lị h m Chiều cao đường lò Ja - Chỉ số mức độ phong hoá, chất lấp nhét khe nứt Jn - Chỉ số hệ khe nứt Jr - Chỉ số chất lượng bề mặt khe nứt JV - Tổng số khe nứt đơn vị dài Jw - Chỉ số ảnh hưởng nước K1 - Hệ số tập trung ứng suất hông vii K2 - Hệ số tập trung ứng suất kat - Hệ số an tồn, hệ số q tải, tuỳ thuộc vào vị trí Kc - Hệ số giảm yếu cấu trúc Klv - Hệ số làm việc neo klvz - Hệ số tính đến neo làm việc mơi trường nước kz - Hệ số điều chỉnh khoá neo L mm Chiều dài lỗ khoan khảo sát Li mm Chiều dài thỏi đá Lk m Chiều dài phần đuôi neo ltr m Chiều dài theo hướng dốc trụ bảo vệ lz m Chiều dài phần khoá neo n - Số nguyên tố đặc trưng cho mức độ nhiễu xạ np - Hệ số vượt tải Pn kN qn R Khả chịu tải neo kN/m2 Áp lực mm Bán kính neo Rn - Chỉ tiêu độ bền nén đơn trục đá RC - Chỉ tiêu khoảng cách khe nứt hệ RD - Chỉ tiêu chất lượng theo Deere Rj - Đặc điểm bề mặt nứt nẻ Rk N/mm2 Khả chịu kéo cốt thép RP - Sự ảnh hưởng phương khe nứt trục đường lò RQD - Chỉ tiêu chất lượng khối đá RW - Sự ảnh hưởng nước ngầm khối đá S neo/m2 Mật độ neo Smin m SRF - Khoảng cách tối thiểu theo phương thẳng đứng từ lò đá đến vỉa than Chỉ số điều kiện ứng suất θ - Góc chùm tia đến mặt phẳng mạng tinh thể viii DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC Xác định khoảng cách sở d lớp nanoclay: λ.n d= (nm) (2-1) 39 2sinθ Xác định khoảng cách tối thiểu theo phương nằm ngang từ đường lò đá đến vỉa than: Xminltr x (cos  + tg o x sin ) (m) (3-1) 83 X  S+ (b + h)cosα sinα (m) (3-2) 83 Xác định hệ số độ ổn định đá lị:  K  nn  k c K2 1. H (3-3) 84 Xác định hệ số độ ổn định đá hơng lị:  K  nh  n c K1..H (3-4) 84 Xác định số đánh giá chất lượng khối đá: RQD   Li 100% LRQD (3-5) 86 Phương pháp phân loại khối đá theo Bieniewski: RMR = Rn + RD + RC + Rj + RW + RP (3-6) 87 Phương pháp phân loại khối đá theo Barton.N:  RQD   J r   J w  Q     J n   J a   SRF  Xác định chiều dài neo: Ln = b + 1,5lz + lk (3-7) 88 (m) (3-8) 91 ... QUANVỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO 1.1 NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng neo giới Neo có từ... DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO 1.1 NEO CHỐNG GIỮ CƠNG TRÌNH NGẦM 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng neo giới 1.1.2 Neo xu hướng sử dụng vật liệu polyme- compozit chống giữ. .. chế tạo cốt neo từ nhựa polymeclay nanocompozit gia cường sợi thuỷ tinh 4- Nghiên cứu, đánh giá khả sử dụng cốt neo chế tạo so với cốt neo thép chống giữ cơng trình ngầm, thơng qua nghiên cứu