Nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc

Nội dung chính bài viết trình bày nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết này.

THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN THAN - ĐÁ VÀ BIỆN PHÁP KIỂM SỐT GƯƠNG HẠ TRẦN THAN NĨC Song Xuanmin, Jin Zhongming, Wei Jinping Đại học Công nghệ Taiyuan Qian Minggao Đại học Công nghệ Khai thác Mỏ Trung Quốc Mối liên hệ đất đá xung quanh trạng thái địa tầng gương Kết khảo sát quan trắc 29 gương khai thác phương pháp hạ trần than Trung Quốc cho thấy đối tượng vỉa tiến hành nghiên cứu bao gồm vỉa dốc thoải, dốc dốc đứng, than từ mềm, trung bình đến cứng Đặc điểm trạng thái địa tầng đất đá xung quanh khu vực vỉa sau: Tải trọng chống thấp, khoảng 2000kN/cột chống 3000-3700 kN/cột chống vỉa cứng (hình 1) Độ bền chống cột chống phía trước lớn cột chống phía sau (dàn chống loại bốn cột) hệ số tải trọng động nhỏ, trung bình khoảng 1,3 Trong trình hoạt động, nhìn chung, tồn tượng cột chống giảm tải, tới 12% Mối liên hệ tải trọng chống ban đầu tải trọng công tác cột chống hàm tuyến tính, cụ thể P = 125 + 1,276 P0 (hình 1) Nhưng gương giới hóa thơng thường hàm logarit, cụ thể P = A + BlgP0 Điều cho thấy việc tốc độ gia tăng tải trọng chống làm việc gương hạ trần than không cao tải trọng chống ban đầu cột chống hiển nhiên thấp hơn; Ngoài ra, tồn tải trọng va đập nhỏ gương hạ trần than có vách cứng, cột chống gương hạ trần có vách khác chủ yếu mang tải trọng tĩnh, xấp xỉ tải trọng địa tầng phía trên, khơng q lần chiều cao khai thác Nếu tăng chiều cao khai thác, hệ số giãn nở đất đá sau phá hỏa tăng lên, gần 1,4 - 1,5 Có hai dạng chế hạ trần thu hồi than bản, loại thứ hạ trần dầm côngxon dạng bậc thu hồi hình phễu, loại thứ hai hạ trần nửa vòm thu hồi dạng vòm Vì góc gẫy trần than lớn 700- 800, nên gối tựa dàn chống chân vịm phía sau khu vực khai thác (hình 3) Nghiên cứu kết cấu vách dựa mơ hình tương đương Dựa kết thử nghiệm mơ hình tương đương mỏ, người ta phân loại dạng kết cấu vách khác là: Kết cấu nửa vòm “dầm khối gạch” Khi vách trực tiếp tương đối dày, bị phá hủy sau than thu hồi Vì khơng gian cịn lại vùng khai thác nhỏ chiều dày phá hỏa vách lần, nên hình thành kết cấu cân khớp “dầm khối gạch”, kết cấu vách gương số Hình Mối liên hệ độ bền chống ban đầu độ bền chống làm việc Hình Kết cấu hạ trần thu hồi than mỏ Wangzhuang KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU 47 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình Kết cấu hạ trần thu hồi than mỏ Wangzhuang Hình Kết cấu dịch chuyển vách mỏ Wangzhuang Hình Kết cấu dịch chuyển vách mỏ Gushuyuan Hình Kết cấu dịch chuyển vách mỏ Xinzhuoyao Khi vách dày mềm, nhanh chóng bị phá hủy sau than bị thu hồi Do biến dạng, sụt lún đứt gãy than phía trước, vách xuất vết nứt đứt gãy Với kiểu thu hồi than dạng vịm, hình thành kết cấu vịm cân bằng, chân vịm phía trước nằm phía gương, chân vịm phía sau khu vực khai thác, kết cấu vách gương số 110 mỏ Weijiadi (Trung Quốc) (hình 7) Mơ hình cấu trúc kết hợp than đá gương hạ trần than Kết cấu kết hợp “vòm-vòm” Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vòm, thu hồi vịm than kết cấu vịm áp lực nóc, (hình 8) Khi than có độ cứng trung bình thấp, mềm dầy, giai đoạn trước biến dạng đứt gẫy xuất thêm nhiều vết nứt hình thành kết cấu vịm cân áp lực lên than Dựa quy luật vịm cân tự nhiên, độ cao chiều rộng vòm thể hệ thức sau: H = (b + M ctga) /2 tgφ (1) Trong đó, H – Chiều cao vòm; M - Chiều rộng vòm; b- Khoảng cách gương mặt 13306 mỏ Gushuyuan (Trung Quốc) (hình 4) Kết cấu “dầm đá dịch chuyển ” cầu vòm Nếu vách trực tiếp tương đối mỏng vách dày, vách trực tiếp bị phá hỏa sau thu hồi than Vì khơng gian cịn lại khu vực khai thác lớn chiều cao phá hỏa vách lần, nên khó nhận biết trạng thái cân khớp nối vách bị phá hủy Sau vách bị phá hủy, vị trí phía trước, vách trực tiếp đằng sau, khu vực khai thác, dầm đá có khả tiếp tục chịu tải trọng lớp mềm phía trên, kết cấu vách gương số 4309 mỏ Wangzhuang (Trung Quốc) (hình 5) Kết cấu “dầm cơngxon” Khi khơng có vách trực tiếp vách mỏng cứng, khơng gian lại khu vực khai thác sau thu hồi than lớn, hình thành dầm cơngxon tới 15-25m kể từ gương đứt gẫy định kỳ, bị phá hỏa xuất tải trọng va đập Dầm nhô sau phá hỏa liên tục truyền tải trọng địa tầng phía trên, kết cấu vách gương số 8911 mỏ Xinzhouyao (Trung Quốc) (hình 6) Kết cấu vịm áp lực 48 KHCNM SỐ 2/2019 * THƠNG TIN, TƯ LIỆU THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình Kết cấu dịch chuyển vách mỏ Weijiadi bên bằn tải a - Góc than- đá, thường 450-550; φ – Góc ma sát đá Tải trọng lên cột chống tải trọng tổng than đá bị phá hủy vịm, là: P = M2 γ + H.γ (kN/m2) (2) Trong đó, M2, γ - Chiều dày than tỷ trọng nó; H, γ - Chiều cao vịm tỷ trọng Ví dụ gương số 8316, H = 8,3 m M2 = 2,4 m, P = 211kN/m2 Giá trị quan trắc 186kN/m2 Như vậy, kết tính tốn phù hợp với kết quan trắc Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch Kết cấu gồm nửa vòm hạ trần than nóc, dạng vịm thu hồi trượt cân dầm khối gạch vách (hình 9) Khi độ cứng than nhỏ mức trung bình, vách trực tiếp dày vách xem kết cấu cân dầm khối gạch, độ bền chống đáp ứng điều kiện cân nửa vịm dầm khối gạch có khả chịu tải trọng than vách trực tiếp: Pq = Q [ – L tg(φ - q) /2 (H - S) ] /l (3) (4) S = M - M2 (1- K2) Kp’ - SH (Kp - 1) Trong đó, SH - Độ dày vách trực tiếp; K2 - Tỷ lệ thu hồi than nóc; Kp’ vµ Kp - Hệ số giãn nở than vách trực tiếp; Q - Trọng lượng đá vách tải trọng lên vách bản; l - Khoảng cách điều chỉnh gương L - Khoảng cách gia trọng định kỳ; q - Góc cắt vách bản; H - Vách lần chiều cao bị phá hóa S - Sụt lún tối đa quay vách gây Hình Kết cấu kết hợp “vịm-vịm” Hình Kết cấu kết hợp dầm khối vịm gạch Tải trọng lên cột chống tính cơng thức sau: P= M2 g + Sh g + q/l + Pq (5) Trong đó, q – Tải trọng dầm cơngxon vách trực tiếp Ví dụ, gương số 2311 mỏ Shigejie, tải trọng than 52 kN/m2, tải trọng vách trực tiếp 240 kN/m2, chiều cao phá hỏa vách 3m khu vực khai thác 1m, Pq = 72 kN/m2 Bằng tính tốn, P = 364 kN/m2 Cường độ chống trung bình đạt 383 kN/m2, vậy, kết tính tốn phù hợp với kết quan trắc Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vịm than nóc, thu hồi trượt dạng vòm kết cấu “dầm đá dịch chuyển” vách cầu-vịm (hình 10) Khi độ cứng than nhỏ độ cứng trung bình, vách trực tiếp mỏng, vách bị phá hủy theo lớp khơng dễ dàng hình thành kết cấu cân có khớp khu vực khai thác lớn độ dày phá hỏa vách lần, vách xem kết cấu “dầm dịch chuyển” cầu-vòm Tải trọng lên cột chống theo “dầm dịch chuyển” là: Pc = L H γ /2 l (6) KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU 49 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Hình 10 Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vịm Từ đó, tải trọng lên cột chống tính cơng thức P = M2 γ + Sh γ + L H γ / l (7) Tại gương số 4309 mỏ Wangzhuang, tải trọng than 52 kN/ m2, tải trọng vách trực tiếp 175 kN/m2 tải trọng lên cột chống theo cầu trước vách 146,5 kN/m2, tải trọng chống theo tính tốn 373,5 kN/ m2 Vì lực cản quan sát 359,3 kN/m2, nên hai kết phù hợp Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch dạng bước” Đây kết cấu mà than vách trực tiếp phá hỏa dầm côngxon dạng bước, thu hồi than dạng phễu vách hình thành kết cấu “dầm khối gạch” (hình 11) Trong điều kiện than cứng, vách trực tiếp dày, phá hỏa nhiều lần chiều cao phá hỏa vách lớn lần so với khoảng không lại khu vực khai thác, cột chống khơng chịu tải trọng than vách trực tiếp mà chịu lực để tạo cân vách Trong đó, tải trọng than vách trực tiếp bao gồm tải trọng phần dầm côngxon Như vậy, tải trọng than là: PM = M2 γ + M22 γ ctga/2 l (8) Tải trọng vách trực tiếp là: Pz = Sh γ + (Sh + 2M2) Sh γ ctga/2 l (9) Vì vậy, tải trọng lên cột chống tính tốn bằng: P = PM + Pz + Pq (10) Trong đó, Pq lực cân dầm khối gạch, giống công thức (3) Tại gương số 13306 mỏ Gushuyuan, tải trọng than 48,4 kN/m2, tải trọng vách trực tiếp 381,5 kN/m2, lực cân dầm khối gạch 42 kN/m2, tải trọng chống 472 kN/m2 Tải trọng quan sát 482,6 50 Hình 11 Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch dạng bước” kN/m2 cho thấy điều kiện phù hợp Kết cấu kết hợp “dầm cơngxon- dầm chìa dạng bước” Trong kết cấu này, than vách xem dầm chìa dạng bước nghịch vách “dầm đá dầm chìa” (hình 12) Kết cấu dạng kết hợp than - đá điều kiện vỉa cứng vách cứng Để tính tốn tải trọng va đập vách cứng bị phá hủy, thiết lập mơ hình học cách sử dụng cân tạm thời lý thuyết điều khiển dầm côngxon phá hủy Nếu P’ độ bền chống lên vách vách bị phá hủy, điểm tác động cách gương 1/3 khoảng cách Q lực bổ sung vách bị phá hủy, q trọng lượng mét dầm côngxon Trên sở lý thuyết đàn hồi, ứng suất nằm ngang dầm côngxon là: sx = - 6q x2 y/H3 + 4q y3/H3 -3q y/5 H Để trì độ ổn định vách phạm vi điều khiển vách dầm cơngxon khu vực khai thác, phá hỏa xác vị trí cắt Cần thiết để sx điểm B đạt tới độ bền kéo khối đá st Giả sử x = L - L1/3, y = - H/2 sx = st, st = 3q (L - L1/3)2/H2 - q/5 (11) ’ P = q.L1/3 + q (L - L1/3) + Q, Q = 3q (L - L1/3)2 L1 – q L1/6 Vì vậy, P ’= q L1/6 + q (L - L1/3) + 3q (L L1/3)2 L1 (12) Từ công thức (11) thu phương trình sau: q (L - L1/3)2 = H2 (s t+ q/5)/3 q (L - L1/3) = H (st + q/5)/3 (L - L1/3) Thay thông số vào công thức (12), đó: P ’ = q L1/6 + H2(L + L1/3) (st + q/5)/2 L1 (L - L1/3) (13) KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Tải trọng chống là: (14) P = Pn + Pz + P’/l Trong đó, Pz, PM : Như công thức (8), (9); L: Khoảng cách gia trọng định kỳ; L = l + (M2 + Sh) ctga; H: Độ cao phá hỏa lần vách bản; Sh: Chiều dày phần vách xử lý sơ Tại gương số 8914 mỏ Xinzhouyao, tải trọng than núc 84kN/m2 , tải trọng than núc phần vỏch xử lý sơ 190kN/m2 tải trọng va đập dầm cụngxon tạo cột chống P’ 546kN/m2, đú tải trọng chống P = 820kN/m2 Giỏ trị tớnh toỏn P gương 6151kN/m2 giỏ trị quan sỏt lờn tới 5885kN/ đơn vị Vỡ vậy, bản, hai phự hợp So sánh giá trị tính tốn mơ hình cấu trúc hỗn hợp mơ hình tải trọng đá đơn giản hóa Hình 12 Kết cấu kết hợp “dầm cơngxon- dầm chìa dạng bước” Theo quan sát trường kết nghiên cứu mơ hình tương đương, thông thường, xuất hiện tượng chia lớp vách thứ vách khu vực điều khiển vách khai thác hạ trần than Vì lý này, cần xem xét ước tính tải trọng chống cách tính độ cao phá hỏa địa tầng bao phủ cho hồn tồn lấp kín khu vực khai thác Cơng thức tính tốn là: P = Kd M γ/(Kd - 1) (15) Trong đó, Kd: Hệ số trọng lượng, Kd = 1,3; Kp: Hệ số trọng lượng giãn nở đá vách, Kp = 1,4 Các kết tính tốn theo cơng thức (15) cho thấy thấy sai số trung bình khoảng 42,9%, đó, theo loại phương trình học kết cấu hỗn hợp kể sai số trung bình 9,8% Như vậy, lý thuyết kết cấu hỗn hợp hợp lý Kết luận Sử dụng mơ hình học kết cấu hỗn hợp than - đá gương hạ trần than để điều khiển khoa học hợp lý Áp dụng phương pháp điều khiển trình khai thác phá hỏa hạ trần than giúp đạt suất hiệu cao./ QUỐC TRUNG (Nguồn: Proceedings of ’99 International Workshop on Underground thick seam mining) KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU 51 ... trọng than vách trực tiếp: Pq = Q [ – L tg(φ - q) /2 (H - S) ] /l (3) (4) S = M - M2 ( 1- K2) Kp’ - SH (Kp - 1) Trong đó, SH - Độ dày vách trực tiếp; K2 - Tỷ lệ thu hồi than nóc; Kp’ vµ Kp -. .. Sử dụng mô hình học kết cấu hỗn hợp than - đá gương hạ trần than để điều khiển khoa học hợp lý Áp dụng phương pháp điều khiển trình khai thác phá hỏa hạ trần than giúp đạt suất hiệu cao./ QUỐC... HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Hình Kết cấu dịch chuyển vách mỏ Weijiadi bên bằn tải a - Góc than- đá, thường 45 0-5 50; φ – Góc ma sát đá Tải trọng lên cột chống tải trọng tổng than đá bị phá hủy vòm, là: P =