Nghiên cứu ảnh hưởng của bãi thải bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng đứng tại các mỏ lò Việt Nam

Bài báo trình bày các kết quả khảo sát đánh giá ảnh hưởng bãi thải đến độ ổn định của thành giếng và vỏ chống giếng đứng. Kết quả nghiên cứu đạt được thông qua phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus và phương pháp giải tích. Các kết quả chính của nghiên cứu là cơ sở để lựa chọn các giải pháp phù hợp về quy hoạch, thiết kế và thi công giếng mỏ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng cho vỏ chống giếng đứng của mỏ.

THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÃI THẢI BỀ MẶT ĐẾN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA VỎ CHỐNG GIẾNG ĐỨNG TẠI CÁC MỎ LÒ VIỆT NAM Đặng Văn Kiên, Võ Trọng Hùng, Đỗ Ngọc Anh Bộ môn XDCTN&Mỏ, Khoa Xây dựng, Đại học Mỏ-Địa chất Khuất Mạnh Thắng Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khống sản Việt Nam Đỗ Thế Anh Công ty cổ phần Fountech Biên tập: TS Nhữ Việt Tuấn Tóm tắt: Bài báo trình bày kết khảo sát đánh giá ảnh hưởng bãi thải đến độ ổn định thành giếng vỏ chống giếng đứng Kết nghiên cứu đạt thông qua phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Abaqus phương pháp giải tích Các kết nghiên cứu sở để lựa chọn giải pháp phù hợp quy hoạch, thiết kế thi công giếng mỏ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng cho vỏ chống giếng đứng mỏ Đặt vấn đề Giếng đứng cơng trình mở vỉa có thời gian tồn lớn (hàng chục năm trở lên) nên kết cấu vỏ đòi hỏi độ bền lớn có tuổi thọ dài bê tơng liền khối bê tông cốt thép liền khối Kết cấu vỏ giếng chịu tác động áp lực đất đá xung quanh, nước ngầm ảnh hưởng cơng trình bề mặt đồn tàu, bãi thải, nhà xưởng (Hình 1) Đất đá bãi thải vùng than Quảng Ninh chủ yếu loại đá trầm tích vách trụ vỉa than nổ mìn, xúc bốc, vận chuyển từ moong khai thác đến bãi thải Thành phần đất đá chủ yếu bao gồm loại mảnh, cục đất đá vỡ vụ cát kết, cuội kết, bột kết, sét kết, sét than đất phủ đệ tứ Thành phần cỡ hạt đất đá khác nhau, có kích thước từ 0,1 mm đến 1000 mm Bảng Đất đá kích thước nhỏ tập trung phía trên, động lớn hơn, đất đá có kích thước lớn Bảng Thành phần cỡ hạt tỉ lệ bãi thải Thành phần cỡ 50 ÷ 80 hạt đất đá bãi < 50 mm mm thải Tỉ lệ % 10 80 đất đá 800 mm 10 lăn xa, phân bố phía chân bãi thải Một số thông số lý đất đá thải Bảng Với trường hợp giếng nằm bãi thải bề mặt, áp lực đất đá nằm ngang xung quanh thành giếng, vỏ chống giếng đứng chịu thêm áp lực tự trọng bãi thải hoạt động đổ thải gây ảnh hưởng lớn đến độ ổn định thành giếng vỏ chống cố định giếng đứng Trên giới, kết nghiên cứu ảnh hưởng bãi thải đến vỏ chống giếng đứng không nhiều Đối với Việt Nam, sau nhiều năm từ thời kỳ Pháp thuộc đến năm 2009, giếng mỏ xây dựng mỏ than Hà Lầm, chưa có cơng trình khoa học nghiên cứu theo hướng yêu cầu an toàn ổn định cho vỏ chống giếng đứng đặt nhằm bảo đảm vận hành bình thường giếng suốt trình khai thác Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 2.1 Cơ sở lý thuyết Do ảnh hưởng bãi thải liền kề đặt khu vực lăng thể trượt làm tăng tải trọng bổ sung đất vào vỏ chống giếng đứng Chiều Bảng Một số số lý đất đá bãi thải vùng than Quảng Ninh Độ rỗng η(%) Tỉ trọng 𐑄 (T/m3) Tỉ trọng bão hịa 𝑦bh(T/m3) Lực dính kết C (T/m2) Góc ma sát 𐐐 (0) 21 2,1 2,26 2,0 30 14 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ cao tăng thêm tải trọng Pm truyền vào đáy BC tính theo sơ đồ Hình theo cơng thức (1) (Đỗ Thụy Đằng, 1997): Ho = Pm γ b0 (1) Trong đó: p - áp lực ngang phân bố đều; R1, R2 - Bán kính ngồi vỏ giếng; x Khoảng cách từ tâm giếng đến điểm xét vỏ chống Trong đó: H0 – chiều cao tăng thêm, m; Pm – tải trọng 1m dài móng tác dụng vào chiều rộng đáy b0, T;𝑦 - dung trọng địa tầng, T/m3; b0 – chiều rộng bãi thải lân cận, m Trong điều kiện thế, tải trọng tác dụng Hình Sơ đồ phân bố thành phần ứng suất 𐐞3 𐐞2 vỏ chống giếng đứng Hình Sơ đồ tính áp lực bên ảnh hưởng bãi thải liền kề (ABAQUS User’s, 2011; Võ Trọng Hùng, 2012) vào thành giếng tính dễ dàng phương pháp tính toán học ổn định khối đất, cường độ áp lực ngang bãi thải tác dụng vào điểm D biểu thị cơng thức (2) (Phí Văn Lịch, 1977; Đỗ Thụy Đằng, 1997): Pz = γ H b0 ϕ  tg  450 −  a0 + b0  2 (2) Dưới tác dụng áp lực ngang phân bố P trọng lượng thân vỏ chống, ngồi cịn có ảnh hưởng cơng trình bề mặt đến vỏ chống xuất trạng thái ứng suất ba chiều: Ứng suất nén hướng tâm 𐐞3 (còn gọi ứng suất hướng kính); Ứng suất tiếp tuyến 𐐞2 (cịn gọi ứng suất vồng theo chu vi), tác dụng vng góc với ứng suất hướng tâm; Ứng suất thẳng đứng 𐐞1 tác dụng song song với trục giếng (Hình 2) Đây trường hợp toán Lamé giải từ năm 1852 Độ lớn ứng suất tính theo cơng thức (4) (Changsuo Zhang et al, 2005):   1 −  R P  1 + σ2 = 2 R2 − R12   R22 P σ1 = R2 − R12 σ3 = R22 P R22 − R12     R1   x2   R12 x2 2.2 Xây dựng kiểm chứng mơ hình số 2.2.1 Xây dựng mơ hình số mơ ảnh hưởng bãi thải bề mặt giếng đến trạng thái ứng suất chuyển vị vỏ chống giếng đứng Để phân tích rõ ảnh hưởng bãi thải bề mặt đến độ ổn định vỏ chống giếng đứng, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus Kết cấu mơ hình số xây dựng sử dụng cho nghiên cứu chia thành khối phần tử mơ hình khác với ba phần riêng biệt gồm khối đất đá xung quanh vỏ giếng, vỏ giếng bê tông bãi thải bề mặt (Hình 3) Kích thước mơ hình lấy theo kinh nghiệm lớn gấp lần chiều sâu giếng để mơ tả xác vùng ảnh hưởng Mơ hình đất đá có bề rộng tùy theo bán kính chiều sâu giếng đứng Đất đá mơ hình học với chiều dài x chiều rộng x chiều cao 200 x 200 x 120 m Giếng có bán kính 2,7m (tính phần diện tích đào, tác giả bỏ phần bê tơng phun với mơ hình nghiên cứu đơn giản), (3) a Khối đất đá xung quanh thành giếng b Vỏ giếng c Khối đất đá bãi thải hình chóp Hình Kết cấu mơ hình số KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LỊ 15 THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ để xác định trọng lực, ứng suất nguyên sinh đất đá Điều kiện biên mô hình cạnh biên sử dụng gối cố định theo phương ngang (x, y), biên bề mặt giả thiết biến dạng tự do, biên đáy mơ hình giả sử cố định ngầm hướng(x, y, z) hình 2.2.4 Phần tử sử dụng cho mơ hình Trong mơ hình khối đá mơ nhờ phần tử dạng tứ diện tuyến tính, vỏ chống giếng đứng lựa chọn phần tử vỏ tam giác với đặc tính Bảng 5: 2.2.5 Các trường hợp nghiên cứu a Kết mơ hình giếng đứng trường hợp chưa có bãi thải Khi chưa có bãi thải phía miệng giếng, vỏ chống giếng đứng chịu ảnh hưởng áp lực đất đá xung quanh Kết so sánh mơ hình số với kết tính tốn áp lực bên thành giếng đạt phương pháp giải tích tính tốn theo cơng thức (2) thể với bề dày thành giếng không đổi Vỏ chống bê tông liền khối giếng đứng sơ lựa chọn dày 0,2m theo thiết kế công ty than Hà Lầm giếng qua vùng đất đá ổn định mô dạng vỏ (shell) với độ sâu 83,3m 2.2.2 Thông số mô hình vật liệu Mơ hình khảo sát với lớp đất đá nằm ngang khác có đặc tính lý thể Bảng Mơ hình gồm thông số bản: module đàn hồi (E), hệ số Poison (⍴), lực dính đất C, góc ma sát (𐐐) góc nở đất (∝) Vỏ chống giếng đứng bê tông liền khối M300 với đặc tính lý thể Bảng Do lớp đất đá bề mặt thuộc loại mềm yếu nên vật liệu làm việc tuân theo mơ hình phá hủy Mohr-Coulomb 2.2.3 Tương tác điều kiện biên mơ hình Mơ hình tương tác đất đá-vỏ giếng xác định sử dụng bước nghiên cứu địa tĩnh ban đầu, b Liên kết đấ đá vỏ c Mơ hình bãi thải gần miệng a Điều kiện biến dạng ngầm chống giếng đứng giếng lớp địa tầng bao quanh mơ hình Hình Biểu diễn điều kiện biên mơ hình Bảng Chỉ tiêu lý đất đá đào qua Các tiêu lý Loại đá ρ (g/cm ) C (MPa) 𐐐 (độ) E (GPa) ∝ Đá thải (Lớp đất đá 1) 2,1 0,02 30 3,0 0, 25 Bột kết (Lớp đất đá 2) 2,6 5,0 35 3,6 0, 213 Bột kết (Lớp đất đá 3) 2,6 16,9 36 5,0 0,206 Sét kết (Lớp đất đá 4) 2,6 2,9 31 2,4 0,24 Than (Lớp đất đá 5) Bột kết (Lớp đất đá 6) 1,5 2,6 0,5 16,9 30 36 0,91 5,0 0,25 0,206 Bảng Chỉ tiêu lý bê tông thành giếng Bê tông M300 16 σc σt ρ Các tiêu lý C (MPa) (MPa) (g/cm3) (MPa) 30 0,8 2,40 0,61 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ ϕ (độ) 35 E (GPa) ν K (GPa) G (GPa) 30 0, 25 18,7 11.6 THÔNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Bảng Đặc tính loại phần tử sử dụng mơ hình Stt Tên phần tử Phần tử rắn (đất đá) Phần tử vỏ (giếng) C3D4 S3 hình Kết so sánh biểu đồ Hình 5.b thấy giá trị tính toán áp lực đất đá xung quanh thành giếng theo hai phương pháp giải tích phương pháp số cho kết phù hợp Giá trị lớn 60 tấn/m2 độ sâu 83,3m nằm qua vỉa than dày 9m Sự phân bố áp lực thay đổi theo chiều dài dọc thân giếng, ngoại trừ vị trí 1/3 thân giếng có bước nhảy nhỏ, bước nhảy bất ổn định số xảy mơ Khi vỏ chống giếng đứng có chiều dày 20cm, theo lý thuyết tính tốn ứng suất nén thành giếng tính cơng thức (3) R1=2,5m; R2=2,7m; x= 2,7m, ta tính thành phần ứng suất vỏ giếng Kết so sánh giá trị ứng suất tiếp, ứng suất nén thành giếng theo công thức (3) với giá trị ứng suất tương ứng đạt phương pháp số (cụ thể ứng suất S11, S22) thể Hình Kết so sánh Hình cho thấy giá trị ứng suất thu thành giếng Số nút Loại hình nút – tứ diện tuyến tính 3D Stress nút – vỏ tam giác Vỏ phương pháp số phương pháp giải tích phù hợp, mơ hình xây dựng có độ tin cậy sử dụng để nghiên cứu thơng số 2.3 Khảo sát thơng số mơ hình 2.3.1 Ảnh hưởng khoảng cách bãi thải đến giếng đứng Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mơ giếng đứng với kích thước mơ hình kiểm chứng (R=5,4m; H=83,3m) Bãi thải có hình dạng nón, kích thước bề rộng 100m, chiều cao 50m Nghiên cứu tiến hành cách thay đổi vị trí khoảng cách bãi thải từ miệng giếng tới mép bãi thải Khoảng cách thay đổi 30m, 40m, 50m, 60m Kết chuyển vị lớn thành giếng thể Hình Kết thu từ dịch chuyển khối đất đá bãi thải thay đổi vị trí đưa số kết luận: Khoảng cách bãi thải tới giếng xa dần, chuyển vị thành giếng giảm dần Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di chuyển a Ứng suất thành giếng b Giá trị ứng suất thành giếng theo hai phương pháp khác Hình Giá trị ứng suất vỏ chống giếng đứng áp lực đất đá a Thành phần ứng suất S11 b So sánh ứng suất đạt theo hai phương pháp Hình Kết ứng suất đạt phương pháp số KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LỊ 17 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ theo vị trí đặt bãi thải Với tính chất đất đá điều kiện khảo sát địa chất đưa ra, thấy rằng, chuyển vị lớn đạt 5,6mm với chiều dày lớp bê tông phun 5cm, chiều dài neo 1,5m Hình Có thể thấy hai vị trí dịch chuyển chủ yếu mơ hình, vị trí phía bãi thải, vị trí đáy giếng Điều giải thích rằng, tượng dịch chuyển trọng lượng thân bãi thải trọng lượng thân thành giếng tác động, từ đưa nghiên cứu thiết kế cổ giếng vành đế đỡ hợp lý 2.3.2 Ảnh hưởng bề rộng bãi thải Để khảo sát ảnh hưởng bề rộng bãi thải, nghiên cứu tiến hành cố định khoảng cách từ miệng giếng đứng tới mép bãi thải 40m 30 m, tiến hành cách thay đổi kích thước bề rộng bãi thải Bề rộng bãi thải thay đổi 60m với chiều cao bãi thải 30m; 80m với chiều cao bãi thải 40m; 100m với chiều cao bãi thải 50m; 120m với chiều cao bãi thải 60m Kết khảo sát nghiên cứu đưa số kết luận: ứng suất phá hủy kéo (+) trường hợp thay đổi chủ yếu phần cổ giếng Ứng suất kéo lớn trường hợp bãi thãi có bề rộng lớn bề rộng giếng nhỏ dần ứng suất kéo giảm dần Kết biểu diễn dịch chuyển khối đất đá bãi thải thay đổi vị trí cho thấy: Bề rộng bãi thải lớn dần, chuyển vị bãi thải tác động lên thành giếng Hình Ứng suất vỏ chống khoảng cách a Các điểm khảo sát b Ứng suất vỏ chống thành giếng c Chuyển vị vỏ chống thành giếng Hình So sánh ứng suất vỏ chống khoảng cách khác a Khi khoảng cách 30m chiều rộng thay đổi b Khi khoảng cách 40m chiều rộng thay đổi Hình Sự ảnh hưởng chiều rộng bãi thải đến giá trị ứng suất vỏ chống 18 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ lớn dần Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di chuyển theo độ lớn bề rộng bãi thải Với tính chất đất đá điều kiện khảo sát địa chất đưa ra, thấy rằng, chuyển vị lớn đạt 6mm, bãi thải có bề rộng 120m, cao 60m (Hình 9) Ngồi ra, thấy hai vị trí dịch chuyển chủ yếu mơ hình, vị trí phía bãi thải, vị trí đáy giếng Điều giải thích rằng, tượng dịch chuyển trọng lượng thân bãi thải, trọng lượng thân thành giếng tác động, từ đưa nghiên cứu thiết kế cổ Kết luận Với việc nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Abaqus, mơ hình xây dựng nghiên cứu cho phép nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách từ bãi thải đến miệng giếng bề rộng bãi thải đến độ ổn định thành giếng Kết đưa nghiên cứu áp dụng cho giếng có độ sâu nhỏ, bãi thải dạng hình chóp, nhiên kết nghiên cứu mở rộng cho loại hình giếng bãi thải khác vùng mỏ Quảng Ninh Trên kết nghiên cứu đạt ban đầu vấn đề này, cần có nghiên cứu sâu thời gian tới nhằm đáp ứng yêu cầu cấp bách mỏ than hầm lị có sử dụng giếng đứng./ Tài liệu tham khảo: Đỗ Thụy Đằng (1997) Thi công cổ giếng đứng (bản dịch) Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội Võ Trọng Hùng 2012 Thi công giếng đứng Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ Hà Nội Changsuo Zhang, Feng Hu, Steve Zou 2005 Effects of blast induced vibrations on the fresh concrete lining of a shaft Tunnelling and Underground Space Technology 20, pp.356–361 GS.TS Phạm Huy Khang, PGS.TS Nguyễn Hữu Trí, ThS.NCS Đỗ Văn Thái Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đá thải mỏ than Cẩm Phả - Quảng Ninh khả sử dụng chúng xây dựng đường tơ Tạp chí GTVT, 11/2015 Th.S Trần Miên, Th.S Nguyễn Tam Tính, Th.S Đỗ Mạnh Dũng Trồng phủ xanh bãi thải mỏ vùng than Quảng Ninh Tạp chí Mơi trường, số Chun đề III năm 2018 Phí Văn Lịch (1977) Áp lực chống giữ cơng trình ngầm Tập 1- Đại học Mỏ- Địa chất Hà Nội 1971 ABAQUS User’s Examples and Theory Manual, Version 6.10, Simulia, Providence, 2011 M.L Bucalem, K.J Bathe 1997 Finite Element Analysis of Shell Structures Archives of Computational Methods in Engineering Vol 4, 1, pp.3-61 Research on the effect of surface dumpsites to the stability of the concrete lining of the vertical shafts at underground mines in Vietnam Dang Van Kien, Vo Trong Hung, Do Ngoc Anh Hanoi University of Mining and Geology (HUMG) Khuat Manh Thang Vietnam national coal - mineral industries holding corporation limited Do The Anh Fountech joint stock company Summary: The paper represents the research results on the effect of the surface dumpsites the mine to the stability of the concrete lining of the vertical shafts Three-dimensional finite element models were developed to conduct the parametric analyses using the commercial FE package, ABAQUS A good agreement between the numerical results and the analytics method was found This numerical model can be used to study Parameter study shows the effect of the distance and width of the surface dumpsites at the mine around the shaft walls to the stability of concrete lining of the vertical shafts The main results obtained by this study can be applied to underground mines in Vietnam with the equivalent conditions KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ 19 ... hình số mơ ảnh hưởng bãi thải bề mặt giếng đến trạng thái ứng suất chuyển vị vỏ chống giếng đứng Để phân tích rõ ảnh hưởng bãi thải bề mặt đến độ ổn định vỏ chống giếng đứng, nhóm nghiên cứu sử dụng... dựng nghiên cứu cho phép nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách từ bãi thải đến miệng giếng bề rộng bãi thải đến độ ổn định thành giếng Kết đưa nghiên cứu áp dụng cho giếng có độ sâu nhỏ, bãi thải. .. Ảnh hưởng bề rộng bãi thải Để khảo sát ảnh hưởng bề rộng bãi thải, nghiên cứu tiến hành cố định khoảng cách từ miệng giếng đứng tới mép bãi thải 40m 30 m, tiến hành cách thay đổi kích thước bề